Op 24 februari 1987, licht van een supernova die explodeerde 168, 000 jaar geleden in de Grote Magelhaense Wolk, een buurman van de Melkweg, de aarde bereikt. Astronomen Ian Shelton en Oscar Duhalde van het Las Campanas Observatorium in Chili rapporteerden voor het eerst de supernova, genaamd SN 1987A (of gewoon 87A), die een van de helderste in bijna vier eeuwen was.

Een supernova zoals 87A doet zich voor wanneer een ster die vele malen groter is dan onze zon in zijn kern geen brandstof meer heeft. Op dit punt, de kern is gemaakt van ijzer, en zijn lot hangt af van de strijd tussen twee krachten:de zwaartekracht probeert het in te storten terwijl elektronen elkaar effectief afstoten, dankzij het uitsluitingsprincipe van Pauli, een kwantummechanisch effect. Voor een poosje, evenwicht blijft behouden, maar de massa van de ijzeren kern blijft toenemen, vanwege nucleaire verbranding in de schaal erboven. Eventueel, de kernmassa een kritische waarde bereikt die de Chandrasekhar-limiet wordt genoemd, en de meedogenloze aantrekkingskracht van de zwaartekracht wint. De kern stort op zichzelf in een bijna vrije val, en er vormt zich een schokgolf omheen. Verwarmd door de energie van ontsnappende neutrino's, de schokgolf werpt de buitenste lagen van de ster uit in een catastrofale ontploffing die korte tijd helderder kan schijnen dan hele sterrenstelsels. Na het verlies van zijn energie aan neutrino-emissie, de kern bezinkt uiteindelijk in wat bekend staat als een neutronenster, in feite een gigantische kern die voornamelijk uit neutronen bestaat.

Tegen de tijd dat Duhalde en Shelton het licht van 87A zagen, drie neutrino-detectoren over de hele wereld hadden al bewijs van de supernova opgepikt. De meeste energie die vrijkomt bij een supernova wordt uitgezonden als neutrino's, bijna massaloze subatomaire deeltjes die zelden reageren met gewone materie. Omdat ze zo zwak met elkaar omgaan, neutrino's kunnen uren voordat lichtdeeltjes uit de omhulling van een instortende supernova glippen, die op de schokgolf van de explosie rijden, worden uitgeworpen.

Neutrino's geproduceerd door 87A arriveerden op aarde net voordat het licht van de explosie dat deed. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), een neutrino-observatorium in Ohio aan de oever van Lake Erie, acht neutrino-gebeurtenissen gedetecteerd. Baksan Neutrino Observatory in Rusland ontdekte er nog vijf, en Kamiokande II, een neutrino-detector diep onder de grond in een Japanse mijn, zag 11. Het was de eerste keer dat neutrino's van een supernova werden gedetecteerd - hoewel de neutrino-wetenschappers het pas beseften nadat Duhalde en Shelton hun waarneming hadden aangekondigd. Ze vonden de neutrino-gebeurtenissen in hun gegevens alleen toen ze ernaar zochten toen ze het nieuws over de supernova hoorden.

Iets ongelooflijks dat wacht om bekend te worden?

Meer dan 30 jaar later, wetenschappers bouwen het internationale Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), georganiseerd door Fermilab. het is 70, De vloeibare-argondetector van 000 ton zal bijna anderhalve kilometer onder de grond worden geplaatst in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, wachtend op een nieuwe uitbarsting van supernova-neutrino's. De ontdekking zou een nieuwe exploderende ster ergens in de Melkweg voorspellen.

Kate Scholberg, een deeltjesfysicus aan de Duke University, zegt dat supernova-neutrino's ons veel kunnen leren over supernova's en deeltjesfysica als we ze detecteren de volgende keer dat een gebeurtenis als 87A plaatsvindt. Dat komt omdat de neutrino's informatie over de supernova met zich meedragen terwijl ze door de ruimte reizen. De signalen die de neutrino's maken in deeltjesdetectoren zoals DUNE, zouden natuurkundigen in staat stellen conclusies te trekken over de omstandigheden waarin de neutrino's zijn gemaakt en bewijs te leveren voor het lot van de exploderende ster.

"Je kunt de processen die plaatsvinden in realtime zien terwijl de neutronenster wordt geboren, zei Scholberg, die neutrino's bestudeert als onderdeel van DUNE.

Deze processen kunnen wijzen op nieuwe fysica. Bijvoorbeeld, als exotische deeltjes worden geproduceerd in een supernova, sporen van hun bestaan ​​zouden blijken uit het signaal van de neutrino's. Dat komt omdat natuurkundigen de totale energie kunnen berekenen die door een supernova wordt geproduceerd, en ze kunnen schatten hoeveel ervan als neutrino's is uitgestoten door de meting. Als de totale gedetecteerde energie niet overeenkomt met het verwachte totaal, het zou kunnen duiden op de productie van nieuwe deeltjes.

"De detectie van een supernova in 1987 van Kamiokande was, naar mij, een van de meest indrukwekkende detecties voor deeltjesfysica, " zei Inés Gil Botella, een wetenschapper bij het Spaanse Centrum voor Energie, Milieu en Technologie, of CIEMAT, en een van de aanwijzingen voor de supernova-zoektocht van DUNE. "Het opende een manier om het universum te begrijpen via andere deeltjes dan fotonen. Dit nieuwe multimessenger-tijdperk van astrofysica begon echt met de detectie van supernova-neutrino's."

De DUNE-dimensie

Terwijl detectoren slechts 24 van de neutrino's vingen die werden uitgezonden door 87A, honderden peer-reviewed artikelen werden gepubliceerd als resultaat van de ontdekking en het daaropvolgende onderzoek. Wanneer DUNE is voltooid, het zou veel meer neutrino's kunnen zien en bijdragen aan een vergelijkbare - en geheel nieuwe - vlaag van onderzoek.

"DUNE heeft verschillende mogelijkheden die echt uniek zijn onder alle grote neutrinodetectoren als het gaat om studies van supernova-neutrino's, " zei Steven Gardiner, een Fermilab-wetenschapper die werkt aan het simuleren van wat er gebeurt als een supernova-neutrino een detector binnengaat.

DUNE verschilt op verschillende manieren van Cherenkov-detectoren zoals Kamiokande, inclusief dat het vloeibare argon gebruikt in plaats van water als het doelmedium. Vloeibare argondetectoren spotten neutrino's wanneer ze botsen met argonkernen. De kern van argon is samengesteld uit protonen en neutronen die in verschillende energietoestanden zijn gerangschikt. Wanneer een neutrino botst met een argonkern, een proton of neutron in een lagere energietoestand kan worden verheven tot een hogere energietoestand en leiden tot de emissie van deeltjes uit de argonkern via zijn de-excitatie. Sommige van deze deeltjes kunnen door de detector worden waargenomen.

"Als de kern de-exciteert, er kunnen een paar verschillende dingen gebeuren, Gardiner zei. "De kern kan gammastralen uitzenden, neutronen, protonen of zwaardere kernfragmenten. U kunt mogelijk gammastralen zien in vloeibaar argon, omdat ze elektronen in het argon verstrooien, en je zult kleine piepjes zien die eruit komen."

Cherenkov-detectoren, die voornamelijk op zoek zijn naar elektronen-antineutrino's die kale protonen raken, kan gammastralen niet met zoveel detail reconstrueren als detectoren met vloeibare argon.

Vanwege de gecompliceerde aard van de energiereconstructie, het is een hele uitdaging om supernova-neutrinogebeurtenissen te reconstrueren in een vloeibare-argondetector. Gardiner bouwt momenteel computersimulaties die de verschillende handtekeningen kunnen modelleren die kunnen optreden wanneer een neutrino interageert met het vloeibare argon in DUNE.

"De moeilijkheid is, omdat je zoveel argon-aangeslagen toestanden beschikbaar hebt, u heeft allerlei verschillende handtekeningen die in uw detector kunnen worden geproduceerd, " zei hij. "En je moet omgaan met dat niveau van complexiteit om de energie van een neutrino-botsing volledig te reconstrueren."

Dan is er de uitdaging om het signaal uit de ruis te halen. Supernova-neutrino's dragen veel minder energie dan zeggen, neutrino's geproduceerd door een deeltjesversneller, dus de signalen die ze produceren in het argon zijn zwakker. Het opgraven van deze interacties met lage energie vereist zowel een gevoelige detector als kennis van de verschillende handtekeningen van de interactie.

"Hoge-energetische neutrino's zijn gemakkelijker te detecteren, en hun interacties zijn bekend. We weten hoe ze zich gedragen, " zei Gil Botella. "Maar bij deze lage, supernova-neutrino-energieën, de interacties met argon zijn niet erg bekend. We hebben niet veel experimentele gegevens om te zeggen wat er gebeurt als een laag-energetisch neutrino interageert met argon."

En wetenschappers van 's werelds andere neutrino-projecten proberen dat te veranderen, experimenten te plannen die een duidelijker beeld zouden schetsen van laag-energetische neutrino's.

"Het bestuderen van neutrino's is een lastige zaak, en we hebben meer werk te doen, maar de technologische mogelijkheden van DUNE maken die uitdagingen veel beter handelbaar, " zei Gardiner. "De uitbetalingen van de natuurkunde zullen enorm zijn. Als we deze vragen gaan aanpakken, DUNE is een goede manier om het te doen."

Oscillatiestation

DUNE kan ook helpen ons begrip van neutrino-oscillatie te informeren op een manier die andere detectoren niet kunnen. In Cherenkov-detectoren, het signaal wordt meestal geproduceerd door elektronen-antineutrino's die in wisselwerking staan ​​met watermoleculen. Omgekeerd, vloeibaar argon bemonstert ook elektronenneutrino's uit de ejecta van de supernova.

"We hebben zowel elektronenneutrino's als antineutrino's nodig om oscillatiescenario's te ontwarren, " zei Alex Friedland, een deeltjesfysicus en senior stafwetenschapper bij SLAC National Accelerator Laboratory in Californië. DUIN, omdat het de enige detector zal zijn die elektronenneutrino's kan zien, voegt een ontbrekend stukje toe aan die puzzel.

Neutrino's oscilleren tussen drie smaken (elektron, muon of tau) terwijl ze door de ruimte bewegen. Natuurkundigen hebben neutrino-oscillaties bestudeerd in neutrino's geproduceerd in de zon, in de atmosfeer van de aarde, van kernreactoren en in hoogenergetische deeltjesbundels gecreëerd door deeltjesversnellers. Maar ze hebben ze niet kunnen bestuderen in supernova's, waar het aantal geproduceerde neutrino's eenvoudigweg niet klopt in vergelijking met andere bronnen.

"Dit is de ultieme intensiteitsgrens, " zei Friedland. "De natuur doet het voor ons, dus daar moeten we maar van profiteren. De supernova is een laboratorium aan de andere kant van de melkweg. Het voert experimenten uit, en we moeten 'gewoon' de detector bouwen en een meting doen. Natuurlijk, het is handig om in gedachten te houden dat deze meting 'gewoon' een van de meest uitdagende taken is die DUNE, de meest geavanceerde neutrinodetector ooit gebouwd, zal ondernemen."

Neutrino-oscillatie beschrijft typisch een enkel deeltje dat van smaak verandert, maar onder de juiste omstandigheden - zoals in een instortende supernova - kunnen veel neutrino's collectief oscilleren.

"Collectieve oscillatie betekent dat je neutrino's hebt die door de achtergrond van andere neutrino's gaan, en een smaaktoestand van een bepaald neutrino weet wat alle andere neutrino's die het passeert doen in termen van smaak, ' zei Friedland.

Met voldoende neutrinosignalen - die een detector zoals de gigantische DUNE zou kunnen verzamelen - kunnen natuurkundigen het energiespectrum reconstrueren van de elektronenneutrino's die op aarde aankomen. Dit spectrum kan opvallende kenmerken vertonen door collectieve oscillaties van neutrino's in de supernova. Met die informatie, ze kunnen zien hoe de neutrino's collectief evolueerden in de stervende ster.

De informatie kan hen aanwijzingen geven over wat er met de ster zelf is gebeurd, ook. De dichtheid van neutrino's is zo hoog in een supernova die instort, zoals 87A, dat het invloed heeft op hoe de ster explodeert. De schokgolf van de explosie wordt voortgestuwd door wat natuurkundigen de door neutrino aangedreven wind noemen.

Andere kerninstortingsgebeurtenissen produceren misschien geen supernova die we gemakkelijk vanaf de aarde kunnen zien, maar we zullen weten dat ze plaatsvonden toen de neutrinodetectoren een uitbarsting registreren.

"Als een ster instort tot een zwart gat, je krijgt waarschijnlijk geen vuurwerk, " legde Scholberg uit. "De waarnemers zien misschien niets, of gewoon een ster zien knipogen. Dat soort gebeurtenissen zou helder worden gezien in neutrino's."

Zodra de DUNE-detectoren op hun plaats zitten, ze zullen worden gebruikt om metingen te doen van neutrino's afkomstig van Fermilab-versnellers en geduldig te wachten tot een supernova explodeert. Dit gebeurt in ons melkwegstelsel gemiddeld eens in de 30 tot 50 jaar.

"Dat is het nadeel van de supernova-neutrinowereld; we wachten altijd, "Zei Scholberg. "Je kunt maar beter niets missen."

Wanneer het zich voordoet, een kern-instorting supernova zal een grote gebeurtenis zijn die meerdere onderzoeksgebieden zal beïnvloeden, waaronder deeltjesfysica en astrofysica.

"Het is zo indrukwekkend:supernova's produceren een enorm aantal neutrino's, ze reizen zo'n lange afstand, en je krijgt direct een signaal van iets dat kiloparsec verwijderd is, " Gil Botella zei. "Het is echt geweldig om toegang te krijgen tot informatie in zo'n ster. Het is de verbinding met de objecten in het universum - het onbekende van het universum."

Leden van het publiek kunnen zich aanmelden om waarschuwingen te ontvangen van het SuperNova Early Warning System (SNEWS). Het geautomatiseerde systeem omvat momenteel zeven neutrino-experimenten in Canada, China, Italië, Japan en op de Zuidpool. Wanneer neutrino's geproduceerd in een supernova de aarde bereiken, SNEWS stuurt e-mailwaarschuwingen om hun aankomst aan te kondigen, die de onderzoeksgemeenschap zou boeien.

"Zodra de supernova plaatsvindt, je kunt al het andere vergeten waar we aan dachten, "Zei Friedland. "De wereld van de wetenschap zal daar minstens een jaar of langer over praten."