Onder de berg Ikeno, Japan, in een oude mijn die duizend meter onder de oppervlakte ligt, ligt het Super-Kamiokande-observatorium (SKO). Sinds 1996, toen het begon met het uitvoeren van waarnemingen, hebben onderzoekers de Cherenkov-detector van deze faciliteit gebruikt om te zoeken naar tekenen van protonverval en neutrino's in onze melkweg. Dit is geen gemakkelijke taak, aangezien neutrino's erg moeilijk te detecteren zijn.
Maar dankzij een nieuw computersysteem dat neutrino's in realtime kan monitoren, kunnen de onderzoekers van de SKO deze mysteriedeeltjes in de nabije toekomst nader onderzoeken. Door dit te doen, hopen ze te begrijpen hoe sterren zich vormen en uiteindelijk in zwarte gaten instorten, en een voorproefje te krijgen van hoe materie in het vroege heelal is ontstaan.
Neutrino's zijn, simpel gezegd, een van de fundamentele deeltjes waaruit het heelal bestaat. In vergelijking met andere fundamentele deeltjes hebben ze een zeer kleine massa, geen lading en werken ze alleen in wisselwerking met andere soorten deeltjes via de zwakke kernkracht en zwaartekracht. Ze worden op verschillende manieren gemaakt, met name door radioactief verval, de nucleaire reacties die een ster aandrijven, en in supernovae.
Volgens het standaard Big Bang-model zijn de neutrino's die overblijven na de schepping van het heelal de meest voorkomende deeltjes die er bestaan. Op elk moment wordt aangenomen dat biljoenen van deze deeltjes om ons heen en door ons heen bewegen. Maar vanwege de manier waarop ze met materie omgaan (d.w.z. slechts zwak), zijn ze buitengewoon moeilijk te detecteren.
Om deze reden zijn neutrino-observatoria diep onder de grond gebouwd om interferentie door kosmische straling te voorkomen. Ze vertrouwen ook op Cherenkov-detectoren, in wezen enorme watertanks met duizenden sensoren langs hun muren. Deze proberen deeltjes te detecteren terwijl ze worden vertraagd tot de lokale lichtsnelheid (d.w.z. de lichtsnelheid in water), wat duidelijk wordt gemaakt door de aanwezigheid van een gloed - bekend als Cherenkov-straling.
De detector bij de SKO is momenteel de grootste ter wereld. Het bestaat uit een cilindrische roestvrijstalen tank met een lengte van 41,4 m (136 ft) en een diameter van 39,3 m (129 ft) en kan meer dan 45.000 ton (50.000 US ton) ultrazuiver water bevatten. In het interieur zijn 11.146 fotomultiplicatorbuizen gemonteerd, die met extreme gevoeligheid licht in het ultraviolette, zichtbare en nabij-infrarode bereik van het elektromagnetische spectrum detecteren.
Jarenlang hebben onderzoekers van de SKO de faciliteit gebruikt om zonne-neutrino's, atmosferische neutrino's en door de mens gemaakte neutrino's te onderzoeken. Degenen die zijn gemaakt door supernova's zijn echter erg moeilijk te detecteren, omdat ze plotseling en moeilijk te onderscheiden zijn van andere soorten. Met het nieuw toegevoegde computersysteem hopen de Super Komiokande-onderzoekers dat dat zal veranderen.
Zoals Luis Labarga, natuurkundige aan de Autonome Universiteit van Madrid (Spanje) en lid van de samenwerking, in een recente verklaring aan de Scientific News Service (SINC) uitlegde:
“Supernova-explosies zijn een van de meest energetische verschijnselen in het universum en het grootste deel van deze energie komt vrij in de vorm van neutrino's. Daarom is het detecteren en analyseren van neutrino's die in deze gevallen worden uitgezonden, anders dan die van de zon of andere bronnen, erg belangrijk voor het begrijpen van de mechanismen in de vorming van neutronensterren - een soort stellair overblijfsel - en zwarte gaten ”.
Kortom, het nieuwe computersysteem is ontworpen om de gebeurtenissen die in de diepte van het observatorium zijn vastgelegd in realtime te analyseren. Als het abnormaal grote stromen neutrino's detecteert, waarschuwt het snel de experts die de controles bemannen. Ze kunnen dan binnen enkele minuten de betekenis van het signaal beoordelen en zien of het daadwerkelijk afkomstig is van een nabijgelegen supernova.
"Tijdens supernova-explosies worden in een extreem korte tijd - een paar seconden - een enorm aantal neutrino's gegenereerd en daarom moeten we er klaar voor zijn", voegde Labarga toe. "Hierdoor kunnen we de fundamentele eigenschappen van deze fascinerende deeltjes onderzoeken, zoals hun interacties, hun hiërarchie en de absolute waarde van hun massa, hun halfwaardetijd en zeker andere eigenschappen die we ons nog niet eens kunnen voorstellen."
Even belangrijk is het feit dat dit systeem de SKO de mogelijkheid zal geven vroegtijdige waarschuwingen te geven aan onderzoekscentra over de hele wereld. Op de grond gebaseerde observatoria, waar astronomen graag kijken naar de creatie van kosmische neutrino's door supernova, zullen dan al hun optische instrumenten van tevoren op de bron kunnen richten (aangezien het elektromagnetische signaal langer nodig heeft om aan te komen).
Door deze gezamenlijke inspanning kunnen astrofysici wellicht de meest ongrijpbare neutrino's van allemaal beter begrijpen. Door te onderscheiden hoe deze fundamentele deeltjes met anderen interageren, kunnen we een stap dichter bij een Grand Unified Theory komen - een van de belangrijkste doelen van het Super-Kamiokande Observatorium.
Tot op heden bestaan er maar een paar neutrinodetectoren in de wereld. Deze omvatten de Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) -detector in Ohio, de Subdury Neutrino Observatory (SNOLAB) in Ontario, Canada en de Super Kamiokande Observatory in Japan.
