Le stelle massicce terminano la loro vita in esplosioni chiamate supernove a collasso del nucleo. Queste esplosioni producono un numero molto elevato di particelle che interagiscono debolmente chiamate neutrini. Scienziati che lavorano all'esperimento Deep Underground Neutrino, affittato da Fermilab, stanno cercando di eseguire una misurazione dettagliata dei neutrini di supernova. Questo sforzo potrebbe portare a scoperte rivoluzionarie nella fisica delle particelle e nell'astrofisica, compresa la prima osservazione della transizione di una supernova in una stella di neutroni o in un buco nero.

Per rilevare i neutrini di supernova, DUNE cercherà principalmente reazioni in cui un neutrino si scontra con un nucleo di argon e si trasforma in un elettrone. Immagini 3D precise di queste reazioni "a corrente carica" ​​verranno registrate da rivelatori di particelle avanzati. Le immagini verranno poi confrontate con i risultati delle simulazioni. Un nuovo programma per computer chiamato MARLEY, descritto in questo manoscritto, genera le prime simulazioni complete di reazioni di corrente carica tra neutrini di supernova e nuclei di argon.

Il programma MARLEY consente ai ricercatori di studiare una varietà di questioni scientifiche. I fisici teorici possono usarlo per capire meglio quali misurazioni future di DUNE potrebbero essere in grado di dirci sulla natura dei neutrini, stelle e l'universo più ampio. I fisici sperimentali possono usare MARLEY per esercitarsi nell'analisi di "dati falsi" da una supernova simulata in preparazione per la cosa reale. Basandosi su tecniche di ricostruzione pionieristiche sviluppate per la prima volta per l'esperimento ArgoNeuT e pubblicate in Revisione fisica D , la collaborazione MicroBooNE ha effettuato di recente tali simulazioni. Tutti questi compiti di analisi fisica possono essere eseguiti senza che gli utenti MARLEY siano esperti in fisica nucleare. Sono stati pubblicati diversi articoli scientifici che includono risultati calcolati con MARLEY, e altri sono previsti in futuro.

Una delle informazioni più utili che gli scienziati di DUNE intendono misurare è l'energia di ogni neutrino di supernova che si disperde all'interno del rivelatore. Questi dati forniranno informazioni sul modo in cui si sviluppa una supernova e metteranno alla prova la nostra attuale comprensione delle supernovae. Poiché i neutrini interagiscono debolmente, questo non può essere fatto direttamente. Anziché, gli scienziati devono misurare e sommare attentamente le energie di tutte le particelle prodotte da una reazione neutrino-argon:non solo l'elettrone in uscita, ma anche eventuali particelle che vengono espulse dal nucleo stesso. Questi possono includere raggi gamma, protoni, neutroni, e talvolta ammassi di neutroni e protoni legati insieme. Una descrizione completa di ogni collisione di neutrini include l'energia e la direzione dell'elettrone, così come dettagli simili sulle particelle nucleari espulse. Un nuovo articolo su Physical Review C spiega come MARLEY fornisce il primo modello teorico in grado di prevedere tutte queste informazioni per le collisioni di corrente carica di neutrini elettronici di supernova con argon.