L'osservatorio di neutrini Super-Kamiokande può rilevare diversi tipi di fenomeni correlati ai neutrini, comprese le esplosioni di supernova nella nostra galassia. Normalmente è pieno di acqua pura, ma ha recentemente ricevuto una dose dell'elemento delle terre rare gadolinio. Questo darà all'osservatorio la capacità di vedere le esplosioni di supernova anche nelle galassie più lontane.

Sepolto a 1 chilometro sotto terra vicino alla città di Hida, nel Giappone centrale, c'è un enorme cilindro alto 40 metri e riempito con 50 milioni di litri d'acqua. Questo è l'osservatorio di neutrini Super-Kamiokande, e dal 1996 osserva i neutrini, particelle subatomiche, dal solare, extrasolare, sorgenti terrestri e artificiali. Rileva queste particelle con sensori ottici altamente sensibili che registrano minuscoli lampi di luce che si verificano quando un neutrino interagisce con una molecola d'acqua.

I sensori devono essere molto sensibili poiché gli eventi di neutrini sono difficili da registrare. I neutrini hanno una massa così piccola che per lo più passano attraverso la materia ordinaria come se non ci fosse, interagendo solo raramente. Costruendo l'osservatorio in profondità nel sottosuolo, aiuta a bloccare altri tipi di particelle e radiazioni ma consente ai neutrini di entrare nella camera, una specie di filtro. Le caratteristiche specifiche dei lampi di luce raccontano ai ricercatori il tipo di neutrino che hanno appena rilevato, in quanto ne esistono di diverse tipologie relative ai vari fenomeni che le creano.

I ricercatori sono desiderosi di osservare in particolare i neutrini anti-elettroni poiché possono dirci un numero sorprendente di cose sul nostro universo. Sebbene una supernova nella nostra galassia sia stata rilevata in precedenza, si verificano solo raramente, diversi decenni di distanza. Quindi i ricercatori guardano più lontano alle supernovae avvenute miliardi di anni fa in galassie lontane, ma c'è un problema.

I segnali dei neutrini di queste lontane supernovae sono molto deboli e difficili da distinguere dal rumore di fondo. I lampi rivelatori che indicano un evento di supernova hanno bisogno di una spinta per aiutare i ricercatori a estrarre il segnale. La soluzione consiste nell'aggiungere un'impurità all'acqua che crea lampi luminosi in risposta ai neutroni causati dalle interazioni dell'antineutrino elettronico, ma che non influisce in altro modo sulle osservazioni a Super-Kamiokande.

I ricercatori hanno mescolato diverse tonnellate di gadolinio, elemento delle terre rare, nell'acqua altrimenti pura. Il gadolinio interagisce con i neutroni prodotti da determinate interazioni di neutrini, ed emette un lampo di raggi gamma facilmente rilevabile. Questi lampi informano indirettamente i ricercatori sui neutrini che li hanno provocati. Inizialmente, sono state aggiunte 13 tonnellate di composto di gadolinio, dando una concentrazione di gadolinio di circa lo 0,01%. I ricercatori lo aumenteranno per migliorare ulteriormente la sensibilità agli eventi di neutrini.

"Con una concentrazione di gadolinio dello 0,01%, il Super-Kamiokande dovrebbe rilevare neutroni da collisioni di neutrini con un'efficienza del 50%, " ha detto il professor Masayuki Nakahata che sta supervisionando questo progetto. " Abbiamo in programma di aumentare la concentrazione in pochi anni per aumentare l'efficienza. Spero che entro pochi anni potremo osservare i neutrini delle antiche supernove".