每隔幾秒鐘，在可觀測宇宙的某個地方，一顆大質量恒星就會坍縮并引發超新星爆炸。物理學家表示，日本超級神岡天文臺現在可能正在從這些災難中收集到穩定的中微子流——每年可探測到幾次。

這些微小的亞原子粒子對于理解超新星內部發生的情況至關重要：由于它們從恒星坍縮的核心中沖出并穿過太空，它們可以提供有關極端條件下發生的任何潛在新物理的信息。

在上個月于意大利米蘭舉行的2024 年中微子會議上，東京大學物理學家 Masayuki Harada透露，超新星中微子的第一批跡象似乎來自超級神岡探測器每天從其他來源收集的粒子雜音，例如撞擊大氣層的宇宙射線和太陽核心的核聚變。東京大學物理學家、該實驗的發言人 Masayuki Nakahata 表示，結果“表明我們開始觀察到一個信號”，該實驗通常被稱為 Super-K。但 Nakahata 警告說，在 956 天的觀察中收集的支持數據仍然非常薄弱。

難以捉摸的粒子

中微子極難捕捉。大多數中微子穿過行星就像光線穿過玻璃一樣，而超級神岡探測器只能捕捉到穿過行星的中微子中的一小部分。即便如此，該探測器仍有相當大的機會捕捉到來自超新星的中微子，因為宇宙中應該充滿了中微子。恒星的坍縮會釋放出數量驚人的中微子(估計約為 10 58)，產生天體物理學家所說的彌散超新星中微子背景。

但到目前為止，還沒有人能夠探測到這種背景。中微子只有一次被確鑿地追溯到一顆坍縮的恒星——中畑是 1987 年使用神岡二號探測器(Super-K 的前身)發現這些粒子的研究人員之一。這次探測之所以能夠實現，是因為超新星發生在大麥哲倫星云中，這是一個矮星系，距離地球足夠近，爆炸恒星的中微子大量到達地球。

2018-2020年，超級神岡探測器(位于本州島中部飛騨附近一公里深的巖石下的一個裝有5萬噸純凈水的水箱)進行了一次簡單但重要的升級，旨在提高其區分超新星中微子與其他粒子的能力。

當中微子(或者更準確地說，是它的反粒子，反中微子)與水中的質子碰撞時，質子會轉變成一對其他粒子，即中子和反電子。反電子在水中高速移動時會產生一道閃光，而這道光會被排列在水箱壁上的傳感器捕捉到。就其本身而言，這道閃光可能與來自其他許多來源的中微子或反中微子產生的閃光難以區分。

但在升級過程中，科學家在超級神岡號的水中添加了釓基鹽。這使得反中微子撞擊水時產生的中子能夠被釓核捕獲，從而釋放出第二道閃光，這是個明顯的能量閃光。超級神岡號物理學家在尋找超新星中微子時，會尋找兩個閃光的快速序列，一個由反電子產生，另一個由被捕獲的中子產生。

Nakahata 表示，真正的超新星信號仍需數年時間才能清晰出現，因為雙閃信號可能來自其他中微子源，包括宇宙射線撞擊大氣層產生的信號。但他補充說，到 2029 年 Super-K 計劃關閉時，它應該已經收集了足夠的數據來做出有力的斷言。

而規模更大的超級神岡探測器計劃于 2027 年左右完成，它可能會大大改善超級神岡探測器的結果。倫敦國王學院物理學家、該項目聯合發言人 Francesca Di Lodovico 表示，最初，超級神岡探測器將充滿純水，但“探測器的所有組件都經過測試，與釓兼容”，釓可能會在以后添加。

中畑說，如果能證明數十億年前遙遠超新星爆發產生的中微子仍然存在，就能證實中微子是穩定粒子，不會衰變成其他粒子。物理學家長期以來一直懷疑這一點，但一直未能確鑿地證明。

哈拉達說，測量超新星中微子能量的全譜還可以提供線索，說明在宇宙歷史的不同時期有多少超新星爆發。此外，它還可以揭示有多少坍縮的恒星形成了黑洞——這將阻止中微子的發射——而不是留下中子星。

超級神岡探測器的數據仍然太弱，不足以宣稱有發現，但探測到彌散中微子的前景“極其令人興奮”，亞特蘭大佐治亞理工學院物理學家、南極冰立方中微子觀測站發言人伊格納西奧·塔博阿達 (Ignacio Taboada) 表示。“中微子將為宇宙中恒星形成的歷史提供獨立的測量數據。”