Massieve sterren eindigen hun leven in explosies die kerninstortingssupernova's worden genoemd. Deze explosies produceren zeer grote aantallen zwak interagerende deeltjes die neutrino's worden genoemd. Wetenschappers die werken aan het Deep Underground Neutrino-experiment, gehost door Fermilab, zijn op zoek naar een gedetailleerde meting van supernova-neutrino's. Deze inspanning zou kunnen leiden tot baanbrekende ontdekkingen in de deeltjesfysica en astrofysica, inclusief de eerste waarneming van de overgang van een supernova in een neutronenster of zwart gat.

Om supernova-neutrino's te detecteren, DUNE gaat vooral op zoek naar reacties waarbij een neutrino botst met een argonkern en verandert in een elektron. Nauwkeurige 3D-beelden van deze "geladen-stroom" reacties zullen worden opgenomen door geavanceerde deeltjesdetectoren. De beelden worden vervolgens vergeleken met de resultaten van simulaties. Een nieuw computerprogramma genaamd MARLEY, beschreven in dit manuscript, genereert de eerste volledige simulaties van geladen-stroomreacties tussen supernova-neutrino's en argonkernen.

Het MARLEY-programma stelt onderzoekers in staat om een ​​verscheidenheid aan wetenschappelijke vragen te bestuderen. Theoretisch natuurkundigen kunnen het gebruiken om beter te begrijpen wat toekomstige metingen van DUNE ons kunnen vertellen over de aard van neutrino's, sterren en het wijdere heelal. Experimentele natuurkundigen kunnen MARLEY gebruiken om te oefenen met het analyseren van "nepgegevens" van een gesimuleerde supernova ter voorbereiding op het echte werk. Voortbouwend op baanbrekende reconstructietechnieken die voor het eerst werden ontwikkeld voor het ArgoNeuT-experiment en gepubliceerd in Fysieke beoordeling D , de MicroBooNE-samenwerking voerde onlangs dergelijke simulaties uit. Al deze natuurkundige analysetaken kunnen worden uitgevoerd zonder dat MARLEY-gebruikers experts in kernfysica hoeven te zijn. Er zijn verschillende wetenschappelijke artikelen gepubliceerd die resultaten bevatten die zijn berekend met MARLEY, en in de toekomst worden er nog meer verwacht.

Een van de nuttigste stukjes informatie die DUNE-wetenschappers van plan zijn te meten, is de energie van elk supernova-neutrino dat zich in de detector verspreidt. Deze gegevens zullen inzicht geven in de manier waarop een supernova zich ontvouwt en ons huidige begrip van supernova's testen. Omdat neutrino's zwak op elkaar inwerken, dit kan niet direct. In plaats daarvan, wetenschappers moeten de energieën van alle deeltjes die worden geproduceerd door een neutrino-argonreactie zorgvuldig meten en optellen:niet alleen het uitgaande elektron, maar ook alle deeltjes die uit de kern zelf worden uitgestoten. Deze kunnen gammastraling omvatten, protonen, neutronen, en soms zijn clusters van neutronen en protonen aan elkaar gebonden. Een volledige beschrijving van elke neutrino-botsing omvat de energie en richting van het elektron, evenals soortgelijke details over de uitgeworpen kerndeeltjes. Een nieuw artikel in Physical Review C legt uit hoe MARLEY het eerste theoretische model levert dat al deze informatie kan voorspellen voor geladen-stroombotsingen van supernova-elektronenneutrino's met argon.