當一顆大質量恆星到達生命的盡頭時，它可能會以一種被稱為超新星的過程爆炸。這種比太陽質量大得多的大質量恆星在其核心耗盡了燃料，引力迫使核心自行坍塌，導致衝擊波形成，並將恆星物質噴射到太空中，金屬與碳等重元素一起被排入宇宙。然而，恆星爆炸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相互作用。
當一些中微子到達地球時，它們在幾十秒長的瞬間以電子、µ子和τ到達地球。除了很少與物質相互作用外，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。科學家曾在1987年觀測過一次超新星爆炸產生的中微子，大約24箇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瞭解大質量恆星的生命週期和它們是如何演化至末期的。
然而，24箇中微子並不足以告訴我們超新星是如何發生的。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並尋找新物理學，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：位於費米實驗室的“近探測器”和位於南達科他州桑福德地下研究設施1300公里外的“遠探測器”。
電子中微子
最遠的探測器是大多數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千箇中微子。DUNE主要對中微子電子味敏感，這是科學家收集超新星爆炸中微子數據中的一種新類型，到目前為止，這些數據只由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有別於其他實驗。
DUNE是世界上唯一能精確測量電子中微子的實驗室，當超新星中微子和氬原子相互作用時，組成氬原子的質子和中子可以提升到更高的能級。然後氬原子失激，結果可以發射出各種粒子。其中包括伽馬射線、中子和質子，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於相互作用中發射的電子，短電子軌跡和次級粒子(甚至更短的“光點”)共同構成了DUNE上的主要超新星信號。
超新星與中微子
隨著大質量核心塌陷的進行，中微子將離開正在爆炸的恆星。DUNE丘應該能夠區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。這有助於對每秒離開超新星的中微子數量和爆炸機制施加限制。不同超新星中微子流量模型會在DUNE探測器中產生不同數量的中微子相互作用和信號。對於一種特殊的通量模型，稱為箍縮熱模型，有幾個參數控制著中微子的能量和預期相互作用次數。
從預期DUNE超新星信號中測量通量模型參數方法的發展，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，為了最準確地測量通量參數，必須考慮這些不確定性。DUNE合作將研究中微子的性質，隨著物理學家不斷完善和改進DUNE的設計，將繼續研究中微子，以揭開大質量恆星核心坍塌超新星爆炸背後的奧秘。
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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