Modellering af kollisioner mellem argonkerner og neutrinoer fra en supernova

Massive stjerner ender deres liv i eksplosioner kaldet kernekollaps-supernovaer. Disse eksplosioner producerer et stort antal svagt interagerende partikler kaldet neutrinoer. Forskere, der arbejder på Deep Underground Neutrino Experiment, hostet af Fermilab, søger at udføre en detaljeret måling af supernova neutrinoer. Denne indsats kan føre til banebrydende opdagelser inden for partikelfysik og astrofysik, herunder den første observation af overgangen af ​​en supernova til en neutronstjerne eller sort hul.

For at opdage supernova neutrinoer, DUNE vil primært søge efter reaktioner, hvor en neutrino kolliderer med en argonkerne og omdannes til en elektron. Præcise 3D-billeder af disse "ladestrøm" -reaktioner vil blive registreret af avancerede partikeldetektorer. Billederne vil derefter blive sammenlignet med resultaterne af simuleringer. Et nyt computerprogram kaldet MARLEY, beskrevet i dette manuskript, genererer de første komplette simuleringer af ladede strømreaktioner mellem supernova neutrinoer og argonkerner.

MARLEY-programmet giver forskere mulighed for at studere en række videnskabelige spørgsmål. Teoretiske fysikere kan bruge det til bedre at forstå, hvad fremtidige målinger fra DUNE måske kan fortælle os om neutrinoers natur, stjerner og det bredere univers. Eksperimentelle fysikere kan bruge MARLEY til at øve sig i at analysere "falske data" fra en simuleret supernova som forberedelse til den ægte vare. Bygger på banebrydende genopbygningsteknikker, der først blev udviklet til ArgoNeuT -eksperimentet og offentliggjort i Fysisk gennemgang D , MicroBooNE-samarbejdet udførte sådanne simuleringer for nylig. Alle disse fysikanalyseopgaver kan udføres uden at MARLEY -brugere skal være eksperter i atomfysik. Flere videnskabelige artikler er blevet offentliggjort, der inkluderer resultater beregnet med MARLEY, og der forventes flere i fremtiden.

En af de mest nyttige oplysninger, som DUNE -forskere planlægger at måle, er energien fra hver supernova -neutrino, der spredes i detektoren. Disse data vil give indsigt i den måde, en supernova udspiller sig på og teste vores nuværende forståelse af supernovaer. Fordi neutrinoer er svagt interagerende, dette kan ikke gøres direkte. I stedet, forskere skal omhyggeligt måle og sammenlægge energien for alle partikler, der produceres ved en neutrino-argonreaktion:ikke kun den udgående elektron, men også eventuelle partikler, der udstødes fra selve kernen. Disse kan omfatte gammastråler, protoner, neutroner, og nogle gange klynger af neutroner og protoner bundet sammen. En fuldstændig beskrivelse af hver neutrino -kollision omfatter elektronens energi og retning, samt lignende detaljer om de udstødte atompartikler. Et nyt papir i Physical Review C forklarer, hvordan MARLEY leverer den første teoretiske model, der kan forudsige al denne information for ladestrømskollisioner af supernovaelektronneutrinoer med argon.