una supernova, l'esplosione di una nana bianca o stella massiccia, può creare tanta luce quanto miliardi di stelle normali. Questo fenomeno astronomico transitorio può verificarsi in qualsiasi momento dopo che una stella ha raggiunto i suoi stadi evolutivi finali.

Si pensa che le supernovae siano associate a condizioni fisiche estreme, molto più estremi di quelli osservati durante qualsiasi altro fenomeno astrofisico noto nell'universo, escluso il Big Bang. Nelle supernove che coinvolgono una stella massiccia, il nucleo della stella può collassare in una stella di neutroni, mentre il resto viene espulso nell'esplosione.

Durante queste violente esplosioni stellari, le temperature nella neonata stella di neutroni possono raggiungere oltre 600 miliardi di gradi, e le densità possono essere fino a 10 volte maggiori di quelle dei nuclei atomici. La stella di neutroni calda risultante da questo tipo di supernova è una fonte significativa di neutrini e potrebbe quindi essere un modello ideale per gli studi di fisica delle particelle.

Per diversi decenni, astronomi e astrofisici hanno cercato di prepararsi al verificarsi di una supernova, ideando modelli teorici e computazionali che potrebbero aiutare l'attuale comprensione di questo affascinante evento cosmologico. Questi modelli potrebbero aiutare ad analizzare e comprendere meglio i nuovi dati raccolti utilizzando rilevatori all'avanguardia e altri strumenti, in particolare quelli progettati per misurare i neutrini e le onde gravitazionali.

Già nel 1987, i ricercatori hanno potuto osservare per la prima volta i neutrini prodotti in una supernova e, finora, solo il tempo, utilizzando strumenti noti come rivelatori di neutrini. Questi neutrini hanno viaggiato sulla Terra per un periodo di circa dieci secondi, così, la loro osservazione ha fornito una misura della velocità con cui i resti di una supernova sono stati in grado di raffreddarsi.

Da decenni ormai, questa misurazione è stata vista come il limite alla velocità con cui le particelle esotiche possono raffreddare un residuo di supernova. Da quando è stato introdotto per la prima volta nel 1987, questo punto di riferimento, noto come "vincolo di raffreddamento della supernova, " è stato ampiamente utilizzato per indagare sulle estensioni del modello standard, la teoria primaria della fisica delle particelle che descrive le forze fondamentali nell'universo.

I ricercatori dell'Istituto Max Planck per l'astrofisica in Germania e dell'Università di Stanford hanno recentemente condotto uno studio sul potenziale delle supernovae come piattaforme per svelare nuova fisica oltre il modello standard. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , esplora specificamente il ruolo che muone, particelle che assomigliano agli elettroni ma hanno masse molto più grandi, potrebbe giocare nel raffreddamento dei resti di supernova.

"Mentre il concetto di 'vincolo di raffreddamento delle supernovae' esiste da decenni, la comunità ha iniziato solo di recente ad apprezzare il ruolo che i muoni possono svolgere nelle supernovae, e come risultato, era stato fatto pochissimo lavoro su come le nuove particelle che si accoppiano principalmente ai muoni potessero influenzare il raffreddamento, " William De Rocco, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ci siamo resi conto che eseguendo simulazioni all'avanguardia di muoni nelle supernovae, potremmo mettere un limite di raffreddamento su questi accoppiamenti esotici, ed è così che è nato il progetto".

Il recente studio presentato in Lettere di revisione fisica è stato il risultato di una collaborazione tra due team di ricercatori, uno al Max Planck Institute e uno a Stanford. Il team dell'Istituto Max Planck, composto da Robert Bolling e Hans-Thomas Janka, ha eseguito una serie di simulazioni di supernova che includevano effetti muonici, incorporando anche alcune delle scoperte più recenti sulla fisica delle supernove.

Queste simulazioni hanno portato alla creazione della più grande libreria esistente di profili di supernova inclusi muoni, che è ora disponibile al pubblico e può essere consultato da tutti i ricercatori di astrofisica di tutto il mondo. Successivamente, De Rocco e il resto del team di Stanford hanno usato questa libreria per calcolare i tassi di produzione di particelle simili agli assioni, cercando di determinare dove nello spazio dei parametri la loro produzione violerebbe il vincolo di raffreddamento delineato nel 1987.

"Modelli sempre più dettagliati dei processi complessi nelle supernove ci consentono ancora di utilizzare le misurazioni dei neutrini di 33 anni fa collegate alla Supernova 1987A per apprendere nuovi aspetti sui fenomeni delle particelle, difficili da esplorare in esperimenti di laboratorio, " Janka ha detto a Phys.org. "William e Peter hanno contattato il mio postdoc Robert e me con le loro nuove idee via e-mail, quindi abbiamo unito le forze per unire le forze su questo progetto di ricerca durante il blocco COVID-19 da entrambe le parti, comunicare via e-mail e nelle riunioni video."

De Rocco, Janka, e i loro colleghi hanno dimostrato che le supernove potrebbero essere potenti modelli di laboratorio per cercare nuova fisica muonica, qualcosa che non è stato completamente apprezzato fino ad ora. Il loro lavoro ha già ispirato altri gruppi di ricerca a cercare fisica esotica oltre il modello standard studiando i muoni nelle supernovae. Nel futuro, questo articolo potrebbe quindi aprire la strada a nuove affascinanti scoperte sulle particelle nell'universo e sui fenomeni cosmologici.

"Penso che ci sia ancora una grande quantità di informazioni che le supernove possono fornirci su possibili estensioni del modello standard, " DeRocco ha detto. "Finora, abbiamo visto solo i neutrini di una supernova galattica, ma si stima che la velocità con cui si attivano le supernove nella nostra galassia sia circa il doppio per secolo, quindi abbiamo buone possibilità di vederne un altro nei prossimi decenni. Con i rivelatori notevolmente avanzati che abbiamo costruito dal 1987, le informazioni che riceveremmo dall'osservazione della prossima supernova galattica sono vaste ed entusiasmanti su cui speculare. Forse è nei neutrini di supernova che faremo la nostra prima osservazione oltre la fisica dei modelli standard!"

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