當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星到達(dá)生命的盡頭時，它可能會以一種被稱為超新星的過程爆炸。這種比太陽質(zhì)量大得多的大質(zhì)量恒星在其核心耗盡了燃料，引力迫使核心自行坍塌，

導(dǎo)致沖擊波形成，并將恒星物質(zhì)噴射到太空中，金屬與碳等重元素一起被排入宇宙。然而，恒星爆炸99%的能量是以中微子的形式釋放出來，中微子是不帶電荷的粒子，幾乎不與周圍的物質(zhì)相互作用。

當(dāng)一些中微子到達(dá)地球時，它們在幾十秒長的瞬間以電子、μ子和τ到達(dá)地球。除了很少與物質(zhì)相互作用外，這些中微子中的每一個都只包含相對較少的能量，這使得它們在地球上更難觀察到?？茖W(xué)家曾在1987年觀測過一次超新星爆炸產(chǎn)生的中微子，大約24個中微子在全球各地的幾個粒子探測器中相互作用，這些中微子讓我們深入了解大質(zhì)量恒星的生命周期和它們是如何演化至末期的。

然而，24個中微子并不足以告訴我們超新星是如何發(fā)生的。有幾十種不同的理論和模型來描述超新星爆炸過程，為了全面描述它，需要觀察更多來自核心塌縮超新星的中微子。進(jìn)入由費米實驗室主持的國際深層地下中微子實驗，DUNE將研究中微子的性質(zhì)并尋找新物理學(xué)，同時等待超新星中微子的到來。該實驗將包括兩個粒子探測器：位于費米實驗室的“近探測器”和位于南達(dá)科他州桑福德地下研究設(shè)施1300公里外的“遠(yuǎn)探測器”。

電子中微子

最遠(yuǎn)的探測器是大多數(shù)超新星中微子被探測到的地方，探測器的巨大尺寸（7萬噸液氬）加上其令人印象深刻的靈敏度，意味著在我們銀河系的下一次超新星期間可以觀測到數(shù)千個中微子。DUNE主要對中微子電子味敏感，這是科學(xué)家收集超新星爆炸中微子數(shù)據(jù)中的一種新類型，到目前為止，這些數(shù)據(jù)只由1987年的反電子中微子樣本組成，這種對電子中微子的敏感度使DUNE有別于其他實驗。

DUNE是世界上唯一能精確測量電子中微子的實驗室，當(dāng)超新星中微子和氬原子相互作用時，組成氬原子的質(zhì)子和中子可以提升到更高的能級。然后氬原子失激，結(jié)果可以發(fā)射出各種粒子。其中包括伽馬射線、中子和質(zhì)子，所有這些都可能在DUNE探測器上留下信號。DUNE將尋找的主要簽名來自于相互作用中發(fā)射的電子，短電子軌跡和次級粒子(甚至更短的“光點”)共同構(gòu)成了DUNE上的主要超新星信號。

超新星與中微子

隨著大質(zhì)量核心塌陷的進(jìn)行，中微子將離開正在爆炸的恒星。DUNE丘應(yīng)該能夠區(qū)分超新星爆炸的不同階段，因為它留下了不同的相互作用和信號。這有助于對每秒離開超新星的中微子數(shù)量和爆炸機(jī)制施加限制。不同超新星中微子流量模型會在DUNE探測器中產(chǎn)生不同數(shù)量的中微子相互作用和信號。對于一種特殊的通量模型，稱為箍縮熱模型，有幾個參數(shù)控制著中微子的能量和預(yù)期相互作用次數(shù)。

從預(yù)期DUNE超新星信號中測量通量模型參數(shù)方法的發(fā)展，DUNE的信號會受到探測器的特殊特性、探測器閾值和輸入模型的影響，為了最準(zhǔn)確地測量通量參數(shù)，必須考慮這些不確定性。DUNE合作將研究中微子的性質(zhì)，隨著物理學(xué)家不斷完善和改進(jìn)DUNE的設(shè)計，將繼續(xù)研究中微子，以揭開大質(zhì)量恒星核心坍塌超新星爆炸背后的奧秘。

博科園｜研究/來自：費米國家加速器實驗室

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:2008.06647

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