Søger efter supernova neutrinoer med Deep Underground Neutrino Experiment

Når en massiv stjerne når slutningen af ​​sit liv, det kan eksplodere i en proces kendt som en supernova. Den massive stjerne - meget mere massiv end vores sol - løber tør for brændstof i sin kerne. Tyngdekraften tvinger kernen til at kollapse på sig selv, forårsager en chokbølge til at danne og udspy stjernemateriale ud i rummet. Metaller, sammen med tunge grundstoffer såsom kulstof, fordrives i universet.

Nioghalvfems procent af stjernens energi, imidlertid, frigives i form af neutrinoer, små ladningsløse partikler, der knap nok interagerer med stoffet omkring dem. Da nogle af dem ankommer til Jorden, de kommer i tre varianter – elektron, muon og tau - i et udbrud af et par tiere sekunder. Sammen med det faktum, at de sjældent interagerer med stof, hver af disse neutrinoer indeholder kun en relativt lille mængde energi, hvilket gør dem endnu sværere at observere på Jorden.

Forskere har observeret supernova neutrinoer én gang, i 1987. Omkring to dusin neutrinoer interagerede i flere partikeldetektorer placeret over hele kloden, og disse neutrinoer gav os indsigt i massive stjerners livscyklus og hvordan de dør. Imidlertid, to dusin neutrinoer er ikke nok til at fortælle os alt om, hvordan supernovaer opstår. Der eksisterer snesevis af forskellige teorier og modeller til at beskrive supernovaeksplosionsprocessen. For fuldt ud at beskrive det, vi er nødt til at observere flere neutrinoer fra kerne-kollaps supernovaer.

Deltag i det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, vært hos Fermilab. DUNE vil studere neutrinoegenskaber og lede efter ny fysik, sammen med at vente på, at supernova neutrinoer ankommer. Forsøget vil omfatte to partikeldetektorer - en "nærdetektor" ved Fermilab og en "fjerndetektor" placeret 1, 300 kilometer væk ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Den fjerneste detektor er det sted, hvor de fleste supernova-neutrinoer ville blive detekteret. Detektorens enorme størrelse - 70, 000 tons flydende argon – sammen med dets imponerende følsomhed betyder, at tusindvis af neutrinoer kan observeres under den næste supernova i vores galakse.

DUNE-samarbejdet har udgivet et papir om DUNEs evne til at udføre supernovafysik. Artiklen diskuterer, hvilken slags aktivitet DUNE-forskere forventer at se i deres detektorer under et supernovaudbrud, hvordan DUNE vil vide, når en supernova opstår, og hvilke resultater DUNE vil være i stand til at udvinde fra supernova neutrinoerne.

DUNE vil primært være følsom over for elektronsmagskomponenten i neutrinoerne - en ny type at tilføje til vores samling af supernova-neutrinodata, som indtil videre kun består af 1987's prøve af antielektron neutrinoer. Denne følsomhed over for elektronneutrinoer adskiller DUNE fra andre eksperimenter; det er det eneste eksperiment i verden, der vil give en præcis måling af elektronsmag.

Når supernova neutrinoer og argon atomer interagerer, protonerne og neutronerne, der udgør argonatomet, kan hæves til en højere energitilstand. Argonatomet de-exciterer derefter, og en række forskellige partikler kan udsendes som et resultat. Disse omfatter gammastråler, neutroner og protoner, som alle kunne efterlade signaler i DUNE-detektoren. De primære signaturer, som DUNE vil lede efter, kommer fra elektroner, der udsendes i interaktionen. Både de korte elektronspor og sekundære partikler (endnu kortere "blip") udgør de dominerende supernovasignaler i DUNE.

Neutrinoerne vil forlade den eksploderende stjerne, mens kernekollapset er i gang. DUNE bør være i stand til at skelne mellem forskellige stadier af supernova-udbruddet på grund af de forskellige interaktioner og signaler, den efterlader. Dette kan hjælpe med at sætte begrænsninger på supernovafluxen - antallet af neutrinoer, der forlader supernovaen pr. sekund - og eksplosionsmekanismen.

Forskellige supernovafluxmodeller vil producere forskellige antal neutrino-interaktioner og signaler i DUNE-detektoren. For en bestemt fluxmodel, kaldet den klemte-termiske model, flere parametre styrer neutrino-energierne og antallet af forventede interaktioner. Artiklen beskriver udviklingen af ​​en metode, der måler fluxmodellens parametre fra det forventede DUNE-supernovasignal. DUNEs signal kan blive påvirket af detektorens særlige karakteristika, detektortærskler og inputmodeller. Disse usikkerheder skal tages i betragtning for det mest nøjagtige mål af fluxparametrene.

DUNE-samarbejdet vil undersøge neutrinoegenskaber, og hvorfor stjerner dør, så længe neutrinoer ankommer til detektoren. Mens fysikere fortsætter med at forfine og forbedre DUNE-designet, de vil fortsætte med at studere neutrinoer for at låse op for mysterierne bag en kerne-kollaps supernova burst.