Alla napolitanska glassälskare vet att tre smaker är bättre än en. Ny forskning från Northwestern University har funnit att genom att studera alla tre "smaker" som är involverade i en supernova, de har låst upp fler ledtrådar om hur och varför stjärnor dör.

Forskare tittar på neutriner (subatomära partiklar) för kritisk information om supernovaexplosioner. Medan tidigare forskning identifierade tre "smaker" av neutriner, många forskare fortsatte att förenkla studier i ämnet genom att studera "vanilj" samtidigt som de ignorerade "choklad" och "jordgubbe".

Genom att inkludera alla tre smakerna i studien, Northwestern forskare har utvecklat en djupare kunskap om döende stjärnor och börjat nysta upp existerande hypoteser.

Studien publicerades i onsdags, 16 december, i tidningen Fysiska granskningsbrev .

I en supernovaexplosion, 99 % av den döda stjärnans energi sänds ut genom neutriner. Reser nästan med ljusets hastighet och interagerar extremt svagt med materia, neutriner är de första budbärarna som når jorden och indikerar att en stjärna har dött.

Sedan deras första upptäckt på 1950-talet, partikelfysiker och astrofysiker har gjort viktiga framsteg för att förstå, upptäcka och skapa neutriner. Men för att begränsa komplexiteten hos modeller, många människor som studerar subatomära partiklar gör antaganden för att förenkla forskningen - till exempel, att icke-elektronneutriner beter sig identiskt när de drivs fram från en supernova.

En del av det som gör att studera neutriner så komplicerat är att de kommer från kompakta föremål (insidan av en stjärna) och sedan interagerar med varandra, sa seniorförfattaren Manibrata Sen, en postdoktor för närvarande baserad på Northwestern under Network for Neutrinos, Nuclear Astrophysics and Symmetries-programmet vid University of California—Berkeley. Det betyder att när en smak påverkas, ungefär som en smältbalja med napolitansk glass, dess utveckling påverkas av alla andra i systemet.

"Du kan inte skapa förutsättningar för att ha neutriner som interagerar med varandra på jorden, " sade Sen. "Men i kompakta föremål, du har en mycket hög densitet av neutriner. Så nu interagerar varje neutrino med varandra eftersom det finns så många runt omkring."

Som ett resultat, när ett enormt antal neutrinos sänds förvirrande under den massiva explosionen av en kärnkollapssupernova, de börjar svänga. Interaktioner mellan neutriner förändrar hela systemets egenskaper och beteenden, skapa en kopplad relation.

Därför, när neutrinotätheten är hög, en bråkdel av neutriner utbyter smaker. När olika smaker avges i olika riktningar djupt inne i en stjärna, omvandlingar sker snabbt och kallas "snabba omvandlingar". Intressant, forskningen fann att när antalet neutriner växer, så gör deras omvandlingsfrekvenser, oavsett massa.

I studien, forskaren skapade en icke-linjär simulering av en "snabb omvandling" när tre neutrinosmaker är närvarande, där en snabb omvandling markeras av neutrinos som interagerar och ändrar smaker. Forskarna tog bort antagandet att de tre smakerna av neutrinos - myon, elektron- och tau-neutriner – har samma vinkelfördelning, ge dem en annan fördelning.

En uppsättning med två smaker av samma koncept tittar på elektronneutriner och "x" neutriner, där x kan vara antingen muon eller tau neutrinos och där skillnaderna mellan de två är obetydliga.

"Vi har visat att de faktiskt alla är relevanta, och att ignorera närvaron av myoner är ingen bra strategi, "Sen sa. "Genom att inkludera dem visar vi att tidigare resultat är ofullständiga, och resultaten förändras drastiskt när du utför en studie med tre smaker."

Även om forskningen kan ha stora konsekvenser i både partikel- och astrofysik, även modeller som användes i denna forskning inkluderade förenklingar. Teamet hoppas kunna göra sina resultat mer generiska genom att inkludera rumsliga dimensioner utöver komponenter av momentum och tid.

Sålänge, Sen sa att han hoppas att hans teams forskning kommer att hjälpa samhället att anamma mer komplexitet i sina studier.

"Vi försöker övertyga samhället att när du tar hänsyn till dessa snabba omvandlingar, du måste använda alla tre smakerna för att förstå det, " sa han. "En korrekt förståelse av snabba svängningar kan faktiskt hålla nyckeln till varför vissa stjärnor exploderar från supernovor."