Wanneer een massieve ster het einde van zijn leven bereikt, het kan exploderen in een proces dat bekend staat als een supernova. De massieve ster - veel massiever dan onze zon - heeft geen brandstof meer in zijn kern. Zwaartekracht dwingt de kern om op zichzelf in te storten, waardoor een schokgolf ontstaat en stellair materiaal de ruimte in spuwt. metalen, samen met zware elementen zoals koolstof, worden het heelal ingestuurd.

Negenennegentig procent van de energie van de ster, echter, komt vrij in de vorm van neutrino's, kleine ladingloze deeltjes die nauwelijks interactie hebben met de materie om hen heen. Wanneer sommigen van hen op aarde aankomen, ze komen in drie smaken:elektronen, muon en tau - in een uitbarsting van enkele tientallen seconden. Naast het feit dat ze zelden interactie hebben met materie, elk van deze neutrino's bevat slechts een relatief kleine hoeveelheid energie, waardoor ze nog moeilijker te observeren zijn op aarde.

Wetenschappers hebben één keer supernova-neutrino's waargenomen, in 1987. Ongeveer twee dozijn neutrino's interageerden in verschillende deeltjesdetectoren over de hele wereld, en die neutrino's gaven ons inzicht in de levenscyclus van massieve sterren en hoe ze sterven. Echter, twee dozijn neutrino's zijn niet genoeg om ons alles te vertellen over hoe supernova's ontstaan. Er bestaan ​​tientallen verschillende theorieën en modellen om het supernova-explosieproces te beschrijven. Om het volledig te beschrijven, we moeten meer neutrino's observeren van supernova's die instorten.

Doe mee aan het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, georganiseerd door Fermilab. DUNE gaat neutrino-eigenschappen bestuderen en nieuwe fysica zoeken, samen met het wachten op de komst van supernova-neutrino's. Het experiment omvat twee deeltjesdetectoren:een "nabije detector" bij Fermilab en een "verre detector" op 1 300 kilometer verderop in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. De verre detector is waar de meeste supernova-neutrino's zouden worden gedetecteerd. De enorme omvang van de detector - 70, 000 ton vloeibaar argon - samen met zijn indrukwekkende gevoeligheid betekent dat duizenden neutrino's konden worden waargenomen tijdens de volgende supernova in onze melkweg.

De DUNE-samenwerking heeft een paper gepubliceerd over het vermogen van DUNE om supernovafysica uit te voeren. Het artikel bespreekt wat voor soort activiteit DUNE-wetenschappers verwachten te zien in hun detectoren tijdens een supernova-uitbarsting, hoe DUNE zal weten wanneer een supernova plaatsvindt, en welke resultaten DUNE uit de supernova-neutrino's kan halen.

DUNE zal voornamelijk gevoelig zijn voor de elektronensmaakcomponent van de neutrino's - een nieuw type om toe te voegen aan onze verzameling supernova-neutrinogegevens, die tot nu toe alleen bestaat uit een monster van anti-elektronneutrino's uit 1987. Deze gevoeligheid voor elektronenneutrino's onderscheidt DUNE van andere experimenten; het is het enige experiment ter wereld dat een nauwkeurige meting van de elektronensmaak zal opleveren.

Wanneer de supernova-neutrino's en argonatomen interageren, de protonen en neutronen waaruit het argonatoom bestaat, kunnen tot een hogere energietoestand worden verheven. Het argonatoom de-exciteert dan, en als resultaat kan een verscheidenheid aan deeltjes worden uitgestoten. Deze omvatten gammastraling, neutronen en protonen, die allemaal signalen in de DUNE-detector kunnen achterlaten. De primaire handtekeningen waarnaar DUNE zoekt, zijn afkomstig van elektronen die tijdens de interactie worden uitgezonden. Zowel de korte elektronensporen als secundaire deeltjes (zelfs kortere "blips") vormen de dominante supernovasignalen in DUNE.

De neutrino's zullen de exploderende ster verlaten terwijl de kerninstorting aan de gang is. DUNE zou in staat moeten zijn om onderscheid te maken tussen verschillende stadia van de supernova-uitbarsting vanwege de verschillende interacties en signalen die het achterlaat. Dit kan helpen om beperkingen op te leggen aan de supernovaflux - het aantal neutrino's dat de supernova per seconde verlaat - en het explosiemechanisme.

Verschillende supernova-fluxmodellen zullen verschillende aantallen neutrino-interacties en signalen produceren in de DUNE-detector. Voor een bepaald fluxmodel, het geknepen-thermische model genoemd, verschillende parameters regelen de neutrino-energieën en het aantal verwachte interacties. Het artikel beschrijft de ontwikkeling van een methode die de fluxmodelparameters meet van het verwachte DUNE-supernovasignaal. Het signaal van DUNE kan worden beïnvloed door de specifieke kenmerken van de detector, detectordrempels en ingangsmodellen. Met die onzekerheden moet rekening worden gehouden voor de meest nauwkeurige meting van de fluxparameters.

De DUNE-samenwerking zal de eigenschappen van neutrino's onderzoeken en waarom sterren sterven zolang neutrino's bij de detector aankomen. Terwijl natuurkundigen het DUNE-ontwerp blijven verfijnen en verbeteren, ze zullen neutrino's blijven bestuderen om de mysteries achter een supernova-uitbarsting te ontrafelen.