Quando una stella massiccia raggiunge la fine della sua vita, può esplodere in un processo noto come supernova. La stella massiccia, molto più massiccia del nostro sole, esaurisce il carburante nel suo nucleo. La gravità costringe il nucleo a collassare su se stesso, provocando la formazione di un'onda d'urto e l'emissione di materiale stellare nello spazio. metalli, insieme a elementi pesanti come il carbonio, vengono espulsi nell'universo.

Il novantanove per cento dell'energia della stella, però, viene rilasciato sotto forma di neutrini, piccole particelle prive di carica che interagiscono appena con la materia che le circonda. Quando alcuni di loro arrivano sulla Terra, arrivano in tre gusti:elettrone, muon e tau, in una raffica di poche decine di secondi. Insieme al fatto che raramente interagiscono con la materia, ciascuno di questi neutrini contiene solo una quantità relativamente piccola di energia, il che li rende ancora più difficili da osservare sulla Terra.

Gli scienziati hanno osservato una volta i neutrini di supernova, nel 1987. Circa due dozzine di neutrini hanno interagito in diversi rivelatori di particelle situati in tutto il mondo, e quei neutrini ci hanno dato un'idea del ciclo di vita delle stelle massicce e di come muoiono. Però, due dozzine di neutrini non sono sufficienti per dirci tutto su come si verificano le supernove. Esistono dozzine di teorie e modelli diversi per descrivere il processo di esplosione della supernova. Per descriverlo appieno, dobbiamo osservare più neutrini dalle supernove con collasso del nucleo.

Entra nell'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, affittato da Fermilab. DUNE studierà le proprietà dei neutrini e cercherà nuova fisica, insieme all'attesa dell'arrivo dei neutrini di supernova. L'esperimento comprenderà due rivelatori di particelle:un "rivelatore vicino" al Fermilab e un "rivelatore lontano" situato 1, A 300 chilometri di distanza presso la struttura di ricerca sotterranea di Sanford nel South Dakota. Il rivelatore lontano è il punto in cui verrebbe rilevata la maggior parte dei neutrini di supernova. Le enormi dimensioni del rilevatore:70, 000 tonnellate di argon liquido, insieme alla sua impressionante sensibilità, significa che durante la prossima supernova nella nostra galassia potrebbero essere osservati migliaia di neutrini.

La collaborazione DUNE ha pubblicato un documento sulla capacità di DUNE di eseguire la fisica delle supernovae. Il documento discute quale tipo di attività gli scienziati DUNE si aspettano di vedere nei loro rivelatori durante un'esplosione di supernova, come DUNE saprà una volta che si verifica una supernova, e quali risultati DUNE sarà in grado di estrarre dai neutrini di supernova.

DUNE sarà sensibile principalmente alla componente aromatica degli elettroni dei neutrini, un nuovo tipo da aggiungere alla nostra raccolta di dati sui neutrini di supernova, che finora è costituito solo dal campione del 1987 di neutrini antielettroni. Questa sensibilità ai neutrini elettronici distingue DUNE dagli altri esperimenti; è l'unico esperimento al mondo che fornirà una misurazione precisa del sapore dell'elettrone.

Quando i neutrini della supernova e gli atomi di argon interagiscono, i protoni e i neutroni che compongono l'atomo di argon possono essere elevati a uno stato di energia superiore. L'atomo di argon quindi si diseccita, e come risultato può essere emessa una varietà di particelle. Questi includono i raggi gamma, neutroni e protoni, tutto ciò potrebbe lasciare segnali nel rilevatore DUNE. Le firme primarie che DUNE cercherà provengono dagli elettroni emessi nell'interazione. Sia le brevi tracce di elettroni che le particelle secondarie (anche i "blip" più brevi) costituiscono i segnali di supernova dominanti in DUNE.

I neutrini lasceranno la stella che esplode mentre il collasso del nucleo è in corso. DUNE dovrebbe essere in grado di distinguere tra i diversi stadi del lampo di supernova a causa delle diverse interazioni e dei segnali che lascia dietro di sé. Questo può aiutare a porre dei vincoli al flusso di supernova - il numero di neutrini che lasciano la supernova al secondo - e al meccanismo di esplosione.

Diversi modelli di flusso di supernova produrranno un numero diverso di interazioni e segnali di neutrini nel rivelatore DUNE. Per un particolare modello di flusso, chiamato il modello termico pizzicato, diversi parametri controllano le energie dei neutrini e il numero di interazioni previste. Il documento descrive lo sviluppo di un metodo che misura i parametri del modello di flusso dal segnale atteso della supernova DUNE. Il segnale di DUNE può essere influenzato dalle particolari caratteristiche del rilevatore, soglie del rivelatore e modelli di ingresso. Tali incertezze devono essere prese in considerazione per la misura più accurata dei parametri di flusso.

La collaborazione DUNE studierà le proprietà dei neutrini e il motivo per cui le stelle muoiono finché i neutrini arrivano al rivelatore. Mentre i fisici continuano a perfezionare e migliorare il design DUNE, continueranno a studiare i neutrini per svelare i misteri dietro un'esplosione di supernova con collasso del nucleo.