Supernovaer kunne muliggøre opdagelsen af ​​ny muonisk fysik

En supernova, eksplosionen af ​​en hvid dværg eller massiv stjerne, kan skabe lige så meget lys som milliarder af normale stjerner. Dette forbigående astronomiske fænomen kan opstå på et hvilket som helst tidspunkt, efter at en stjerne har nået sine sidste evolutionære stadier.

Supernovaer menes at være forbundet med ekstreme fysiske forhold, langt mere ekstreme end de observerede under noget andet kendt astrofysisk fænomen i universet, eksklusive Big Bang. I supernovaer, der involverer en massiv stjerne, stjernens kerne kan kollapse til en neutronstjerne, mens resten af ​​det udvises i eksplosionen.

Under disse voldsomme stjerneeksplosioner, temperaturen i den nyfødte neutronstjerne kan nå over 600 milliarder grader, og tætheder kan være op til 10 gange større end i atomkerner. Den varme neutronstjerne, der er et resultat af denne type supernova, er en betydelig kilde til neutrinoer og kan derfor være en ideel model for partikelfysikstudier.

I flere årtier, astronomer og astrofysikere har forsøgt at forberede sig på forekomsten af ​​en supernova, udtænke teoretiske og beregningsmæssige modeller, der kunne hjælpe med den nuværende forståelse af denne fascinerende kosmologiske begivenhed. Disse modeller kan hjælpe med at analysere og bedre forstå nye data indsamlet ved hjælp af avancerede detektorer og andre instrumenter, især dem, der er designet til at måle neutrinoer og gravitationsbølger.

Tilbage i 1987, forskere var i stand til at observere neutrinoer produceret i en supernova for det første og, indtil nu, eneste gang, ved hjælp af instrumenter kendt som neutrino-detektorer. Disse neutrinoer havde rejst til Jorden over en periode på cirka ti sekunder, dermed, deres observation gav et mål for den hastighed, hvormed resterne af en supernova var i stand til at køle ned.

I årtier nu, denne måling blev set som grænsen for, hvor hurtigt eksotiske partikler kan afkøle en supernovarest. Siden den først blev introduceret i 1987, dette referencepunkt, kendt som "supernova-kølebegrænsningen, "er blevet flittigt brugt til at undersøge udvidelser af standardmodellen, den primære teori om partikelfysik, der beskriver fundamentale kræfter i universet.

Forskere ved Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland og Stanford University har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger potentialet af supernovaer som platforme til at afsløre ny fysik ud over standardmodellen. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , udforsker specifikt den rolle, som muoner, partikler, der ligner elektroner, men har langt større masser, kunne spille i afkølingen af ​​supernova-rester.

"Mens konceptet med 'supernovakølingsbegrænsninger' har eksisteret i årtier, samfundet er først for nylig begyndt at forstå den rolle, som myoner kan spille i supernovaer, og som et resultat, meget lidt arbejde var blevet gjort på, hvordan nye partikler, der primært kobles til myoner, kunne påvirke afkølingen, "William DeRocco, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi indså, at ved at køre banebrydende simuleringer af myoner i supernovaer, vi kunne sætte en afkøling på disse eksotiske koblinger, og det var sådan, projektet blev født."

Den nylige undersøgelse optrådte i Fysisk gennemgangsbreve var resultatet af et samarbejde mellem to teams af forskere, en på Max Planck Institute og en på Stanford. Holdet på Max Planck Institute, består af Robert Bolling og Hans-Thomas Janka, kørte en række supernova-simuleringer, der inkluderede muoniske effekter, samtidig med, at de inkorporerer nogle af de seneste resultater om supernovaernes fysik.

Disse simuleringer førte til oprettelsen af ​​det største eksisterende bibliotek af supernova-profiler inklusive muoner, som nu er offentligt tilgængelig og kan tilgås af alle astrofysiske forskere verden over. Efterfølgende De Rocco og resten af ​​holdet på Stanford brugte dette bibliotek til at beregne produktionshastigheder af axion-lignende partikler, forsøger at bestemme, hvor i parameterrummet deres produktion ville overtræde den kølebegrænsning, der blev afgrænset i 1987.

"Flere og mere detaljerede modeller af de komplekse processer i supernovaer giver os stadig mulighed for at bruge de 33 år gamle neutrinomålinger forbundet med Supernova 1987A til at lære nye aspekter om partikelfænomener, som er svære at udforske i laboratorieeksperimenter, Janka fortalte Phys.org. "William og Peter kontaktede min postdoc Robert og mig selv med deres nye ideer via e-mail, så vi gik sammen om at gå sammen om dette forskningsprojekt under COVID-19 lockdown på begge sider, kommunikerer via e-mail og i videomøder."

DeRocco, Janka, og deres kolleger viste, at supernovaer kunne være kraftfulde laboratoriemodeller til at jage efter ny muonisk fysik, noget, der ikke var fuldt ud værdsat indtil nu. Deres arbejde har allerede inspireret andre forskerhold til at søge efter eksotisk fysik ud over standardmodellen ved at studere muoner i supernovaer. I fremtiden, dette papir kunne således bane vejen for nye fascinerende opdagelser om partikler i universet og kosmologiske fænomener.

"Jeg tror, ​​at der stadig er et væld af oplysninger, som supernovaer kan give os om mulige udvidelser af standardmodellen, " sagde DeRocco. "Indtil videre, vi har kun set neutrinoerne fra én galaktisk supernova, men den hastighed, hvormed supernovaer udgår i vores galakse, anslås at være omkring to gange pr. så vi har en god chance for at se en anden i de næste par årtier. Med de markant avancerede detektorer, som vi har bygget siden 1987, den information, vi ville modtage fra observationen af ​​den næste galaktiske supernova, er enorm og spændende at spekulere i. Måske er det i supernova neutrinoer, vi vil foretage vores første observation af hinsides standardmodelfysik!"

© 2020 Science X Network