När en massiv stjärna når slutet av sitt liv, den kan explodera i en process som kallas en supernova. Den massiva stjärnan - mycket mer massiv än vår sol - tar slut på bränsle i kärnan. Tyngdkraften tvingar kärnan att kollapsa på sig själv, orsakar en stötvåg och bildar stjärnmaterial i rymden. Metaller, tillsammans med tunga element som kol, utvisas till universum.

Nittionio procent av stjärnans energi, dock, släpps i form av neutrinoer, små laddningslösa partiklar som knappt interagerar med ämnet som omger dem. När några av dem anländer till jorden, de kommer i tre smaker - elektron, muon och tau - i ett utbrott några tiotals sekunder långt. Tillsammans med det faktum att de sällan interagerar med materia, var och en av dessa neutrinoer innehåller bara en relativt liten mängd energi, vilket gör dem ännu svårare att observera på jorden.

Forskare har observerat supernovneutriner en gång, 1987. Ungefär två dussin neutrinoer interagerade i flera partikeldetektorer som finns över hela världen, och dessa neutrinoer gav oss inblick i massiva stjärnors livscykel och hur de dör. Dock, två dussin neutrinoer räcker inte för att berätta allt om hur supernovor uppstår. Dussintals olika teorier och modeller finns för att beskriva supernovaexplosionsprocessen. För att beskriva det fullständigt, vi måste observera fler neutrinoer från supernovaer med kärnkollaps.

Gå in i det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, värd av Fermilab. DUNE kommer att studera neutrinoegenskaper och leta efter ny fysik, tillsammans med att vänta på att supernova -neutriner ska komma. Experimentet kommer att omfatta två partikeldetektorer - en "nära detektor" vid Fermilab och en "fjärrdetektor" lokaliserad 1, 300 kilometer bort vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Fjärrdetektorn är där de flesta av supernova -neutrinerna skulle detekteras. Detektorns massiva storlek - 70, 000 ton flytande argon - tillsammans med dess imponerande känslighet innebär att tusentals neutrinoer kan observeras under nästa supernova i vår galax.

DUNE -samarbetet har publicerat ett dokument om DUNEs förmåga att utföra supernovafysik. Tidningen diskuterar vilken typ av aktivitet DUNE -forskare förväntar sig att se i sina detektorer under en supernovautbrott, hur DUNE kommer att veta när en supernova inträffar, och vilka resultat DUNE kommer att kunna extrahera från supernova neutrinoerna.

DUNE kommer att vara känslig främst för neutrinos elektronkomponent - en ny typ att lägga till i vår samling av supernova neutrino -data, som hittills endast består av 1987:s prov av antielektronneutriner. Denna känslighet för elektronneutrino skiljer DUNE från andra experiment; det är det enda experimentet i världen som kommer att ge en exakt mätning av elektronens smak.

När supernova neutrinos och argonatomer interagerar, protonerna och neutronerna som bildar argonatomen kan höjas till ett tillstånd med högre energi. Argonatomen upphäver sedan, och en mängd olika partiklar kan avges som ett resultat. Dessa inkluderar gammastrålning, neutroner och protoner, som alla kan lämna signaler i DUNE -detektorn. De primära signaturerna DUNE kommer att leta efter kommer från elektroner som sänds ut i interaktionen. Både de korta elektronspåren och sekundära partiklar (ännu kortare "blips") utgör de dominerande supernovasignalerna i DUNE.

Neutrinerna kommer att lämna den exploderande stjärnan när kärnkollapsen pågår. DUNE bör kunna skilja mellan olika stadier av supernovaskuren på grund av de olika interaktioner och signaler som den lämnar efter sig. Detta kan hjälpa till att begränsa supernovaflödet - antalet neutrinoer som lämnar supernova per sekund - och explosionsmekanismen.

Olika supernovaflödesmodeller kommer att producera olika antal neutrino -interaktioner och signaler i DUNE -detektorn. För en viss flussmodell, kallade den klämda-termiska modellen, flera parametrar styr neutrinoenergierna och antalet förväntade interaktioner. Papperet beskriver utvecklingen av en metod som mäter flödesmodellparametrarna från den förväntade DUNE -supernovasignalen. DUNEs signal kan påverkas av detektorns särskilda egenskaper, detektortrösklar och ingångsmodeller. Dessa osäkerheter måste beaktas för den mest exakta mätningen av flödesparametrarna.

DUNE -samarbetet kommer att undersöka neutrinoegenskaper och varför stjärnor dör så länge som neutriner kommer till detektorn. När fysikerna fortsätter att förfina och förbättra DUNE -designen, de kommer att fortsätta att studera neutriner för att låsa upp mysterierna bakom en supernova-utbrott med kärnappfall.