Massiva stjärnor avslutar sina liv i explosioner som kallas kärnkollapssupernovor. Dessa explosioner producerar ett mycket stort antal svagt interagerande partiklar som kallas neutriner. Forskare som arbetar med Deep Underground Neutrino Experiment, värd av Fermilab, försöker utföra en detaljerad mätning av supernova neutrinos. Denna ansträngning kan leda till banbrytande upptäckter inom partikelfysik och astrofysik, inklusive den första observationen av en supernovas övergång till en neutronstjärna eller ett svart hål.

För att upptäcka supernova neutrinos, DUNE kommer i första hand att söka efter reaktioner där en neutrino kolliderar med en argonkärna och omvandlas till en elektron. Exakta 3D-bilder av dessa "laddade ström"-reaktioner kommer att registreras av avancerade partikeldetektorer. Bilderna kommer sedan att jämföras med resultaten av simuleringar. Ett nytt datorprogram som heter MARLEY, beskrivs i detta manuskript, genererar de första kompletta simuleringarna av laddade strömreaktioner mellan supernovaneutriner och argonkärnor.

MARLEY-programmet låter forskare studera en mängd olika vetenskapliga frågor. Teoretiska fysiker kan använda det för att bättre förstå vad framtida mätningar från DUNE kan berätta för oss om neutrinernas natur, stjärnor och det vidare universum. Experimentella fysiker kan använda MARLEY för att öva på att analysera ”falska data” från en simulerad supernova som förberedelse för den riktiga saken. Bygger på banbrytande rekonstruktionstekniker som först utvecklades för ArgoNeuT-experimentet och publicerades i Fysisk granskning D , MicroBooNE-samarbetet genomförde nyligen sådana simuleringar. Alla dessa fysikanalysuppgifter kan utföras utan att MARLEY-användare behöver vara experter på kärnfysik. Flera vetenskapliga artiklar har publicerats som inkluderar resultat beräknade med MARLEY, och fler förväntas i framtiden.

En av de mest användbara uppgifterna som DUNE-forskare planerar att mäta är energin hos varje supernova-neutrino som sprids i detektorn. Dessa data kommer att ge insikt i hur en supernova utvecklas och testa vår nuvarande förståelse av supernovor. Eftersom neutriner interagerar svagt, detta kan inte göras direkt. Istället, forskare måste noggrant mäta och lägga ihop energin för alla partiklar som produceras av en neutrino-argonreaktion:inte bara den utgående elektronen, men även alla partiklar som stöts ut från själva kärnan. Dessa kan inkludera gammastrålar, protoner, neutroner, och ibland kluster av neutroner och protoner bundna tillsammans. En fullständig beskrivning av varje neutrinokollision inkluderar elektronens energi och riktning, samt liknande detaljer om de utstötta kärnpartiklarna. En ny artikel i Physical Review C förklarar hur MARLEY tillhandahåller den första teoretiska modellen som kan förutsäga all denna information för kollisioner med laddad ström mellan supernovaelektronneutriner och argon.