Unter dem Berg Ikeno in Japan befindet sich in einer alten Mine, die sich tausend Meter unter der Oberfläche befindet, das Super-Kamiokande-Observatorium (SKO). Seit 1996, als es begann, Beobachtungen durchzuführen, verwenden Forscher den Cherenkov-Detektor dieser Einrichtung, um nach Anzeichen von Protonenzerfall und Neutrinos in unserer Galaxie zu suchen. Dies ist keine leichte Aufgabe, da Neutrinos sehr schwer zu erkennen sind.
Dank eines neuen Computersystems, mit dem Neutrinos in Echtzeit überwacht werden können, können die Forscher des SKO diese mysteriösen Partikel in naher Zukunft genauer untersuchen. Auf diese Weise hoffen sie zu verstehen, wie sich Sterne bilden und schließlich zu Schwarzen Löchern zusammenbrechen, und einen Einblick in die Entstehung von Materie im frühen Universum zu bekommen.
Neutrinos sind einfach gesagt eines der grundlegenden Teilchen, aus denen das Universum besteht. Im Vergleich zu anderen fundamentalen Partikeln haben sie eine sehr geringe Masse, keine Ladung und interagieren nur über die schwache Kernkraft und Schwerkraft mit anderen Partikeltypen. Sie entstehen auf verschiedene Weise, insbesondere durch radioaktiven Zerfall, die Kernreaktionen, die einen Stern antreiben, und in Supernovae.
In Übereinstimmung mit dem Standard-Urknallmodell sind die Neutrinos, die bei der Erschaffung des Universums übrig geblieben sind, die am häufigsten vorkommenden Teilchen. Es wird angenommen, dass sich zu jedem Zeitpunkt Billionen dieser Partikel um uns herum und durch uns bewegen. Aufgrund der Art und Weise, wie sie mit Materie interagieren (d. H. Nur schwach), sind sie jedoch äußerst schwer zu erkennen.
Aus diesem Grund werden Neutrino-Observatorien tief unter der Erde gebaut, um Störungen durch kosmische Strahlung zu vermeiden. Sie verlassen sich auch auf Cherenkov-Detektoren, bei denen es sich im Wesentlichen um massive Wassertanks handelt, an deren Wänden Tausende von Sensoren angebracht sind. Diese versuchen, Partikel zu erfassen, wenn sie auf die lokale Lichtgeschwindigkeit (d. H. Die Lichtgeschwindigkeit in Wasser) verlangsamt werden, was durch das Vorhandensein eines als Cherenkov-Strahlung bekannten Glühens deutlich wird.
Der Detektor am SKO ist derzeit der größte der Welt. Es besteht aus einem zylindrischen Edelstahltank mit einer Höhe von 41,4 m (136 ft) und einem Durchmesser von 39,3 m (129 ft) und einem Fassungsvermögen von über 45.000 Tonnen (50.000 US-Tonnen) hochreinem Wasser. Im Innenraum sind 11.146 Photovervielfacherröhren montiert, die Licht im ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums mit extremer Empfindlichkeit erfassen.
Seit Jahren nutzen Forscher der SKO die Anlage, um solare Neutrinos, atmosphärische Neutrinos und künstliche Neutrinos zu untersuchen. Diejenigen, die durch Supernovae erzeugt werden, sind jedoch sehr schwer zu erkennen, da sie plötzlich erscheinen und schwer von anderen Arten zu unterscheiden sind. Mit dem neu hinzugefügten Computersystem hoffen die Super Komiokande-Forscher jedoch, dass sich dies ändern wird.
Wie Luis Labarga, Physiker an der Autonomen Universität Madrid (Spanien) und Mitglied der Zusammenarbeit, kürzlich in einer Erklärung gegenüber dem Scientific News Service (SINC) erklärte:
„Supernova-Explosionen sind eines der energetischsten Phänomene im Universum und der größte Teil dieser Energie wird in Form von Neutrinos freigesetzt. Aus diesem Grund ist der Nachweis und die Analyse von Neutrinos, die in diesen Fällen emittiert werden, außer denen der Sonne oder anderer Quellen, sehr wichtig, um die Mechanismen bei der Bildung von Neutronensternen - einer Art von Sternresten - und Schwarzen Löchern zu verstehen. “
Grundsätzlich ist das neue Computersystem darauf ausgelegt, die in den Tiefen des Observatoriums aufgezeichneten Ereignisse in Echtzeit zu analysieren. Wenn ungewöhnlich große Neutrino-Ströme festgestellt werden, werden die Experten, die die Kontrollen besetzen, schnell alarmiert. Sie können dann innerhalb von Minuten die Bedeutung des Signals beurteilen und feststellen, ob es tatsächlich von einer nahe gelegenen Supernova stammt.
„Bei Supernova-Explosionen wird in extrem kurzer Zeit - wenigen Sekunden - eine enorme Anzahl von Neutrinos erzeugt, und deshalb müssen wir bereit sein“, fügte Labarga hinzu. "Dies ermöglicht es uns, die grundlegenden Eigenschaften dieser faszinierenden Teilchen zu untersuchen, wie ihre Wechselwirkungen, ihre Hierarchie und den absoluten Wert ihrer Masse, ihre Halbwertszeit und sicherlich andere Eigenschaften, die wir uns noch nicht einmal vorstellen können."
Ebenso wichtig ist die Tatsache, dass dieses System dem SKO die Möglichkeit gibt, Forschungszentren auf der ganzen Welt frühzeitig zu warnen. Bodenobservatorien, in denen Astronomen die Entstehung kosmischer Neutrinos durch Supernova beobachten möchten, können dann alle ihre optischen Instrumente im Voraus auf die Quelle richten (da das elektromagnetische Signal länger braucht, um anzukommen).
Durch diese Zusammenarbeit können Astrophysiker möglicherweise einige der schwer fassbaren Neutrinos von allen besser verstehen. Das Erkennen, wie diese fundamentalen Teilchen mit anderen interagieren, könnte uns einer großen einheitlichen Theorie einen Schritt näher bringen - eines der Hauptziele des Super-Kamiokande-Observatoriums.
Bisher gibt es weltweit nur wenige Neutrino-Detektoren. Dazu gehören der Detektor Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) in Ohio, das Subdury Neutrino Observatory (SNOLAB) in Ontario, Kanada, und das Super Kamiokande Observatory in Japan.
