用深地下中微子实验寻找超新星中微子

2022-01-17 18:56:00邢荔桦导读当一颗巨大的用深恒星到达其寿命终点时，它会以超新星爆炸的地下方式爆炸。比我们的中微太阳重得多的大质量恒星，其核心燃料不足。实验重力迫使岩心自身塌陷

当一颗巨大的寻找星中恒星到达其寿命终点时，它会以超新星爆炸的超新方式爆炸。比我们的用深太阳重得多的大质量恒星，其核心燃料不足。地下重力迫使岩心自身塌陷，中微形成冲击波，实验并将恒星物质喷入太空。寻找星中金属与碳等重元素一起被排入宇宙。超新

然而，用深恒星百分之九十九的地下能量是以中微子的形式释放的，中微子是中微小的无电荷粒子，几乎不与周围的物质发生相互作用。当它们中的一些到达地球时，它们会以三种形式(电子，介子和tau)到达，爆炸时间长达数十秒。除了它们很少与物质相互作用的事实之外，这些中微子中的每一个仅包含相对少量的能量，这使得它们在地球上更难观察到。

1987年，科学家曾一次观测到超新星中微子。大约有二十二个中微子在遍布全球的多个粒子探测器中相互作用，这些中微子使我们了解了大质量恒星的生命周期以及它们如何死亡。但是，仅有两打中微子不足以告诉我们有关超新星如何发生的所有信息。存在数十种不同的理论和模型来描述超新星爆炸过程。为了完整地描述它，我们需要观察核心坍缩超新星产生的更多中微子。

进入由Fermilab主持的国际深层地下中微子实验。DUNE将研究中微子的性质并寻找新的物理学，以及等待超新星中微子的到来。该实验将包括两个粒子探测器，一个是位于费米实验室的“近探测器”，另一个是位于南达科他州的桑福德地下研究设施，位于1300公里之外的“远探测器”。远探测器是大多数超新星中微子将被探测到的地方。该探测器的巨大体积-70,000吨液态氩-加上令人印象深刻的灵敏度，意味着在我们银河系中的下一个超新星爆发期间，可以观测到成千上万个中微子。

DUNE合作已发表了一篇有关DUNE执行超新星物理学的能力的论文。本文讨论了DUNE科学家希望在超新星爆发期间在探测器中看到什么样的活动，一旦超新星爆发，DUNE将如何知道，以及DUNE将能够从超新星中微子中提取出什么结果。

DUNE将首先对中微子的电子风味成分敏感，这是我们超新星中微子数据收集的一种新类型，迄今为止，它仅由1987年的反电子中微子样本组成。对电子中微子的这种敏感性使DUNE不同于其他实验。这是世界上唯一可以精确测量电子风味的实验。

当超新星中微子和氩原子相互作用时，组成氩原子的质子和中子可以被提升到更高的能量状态。然后，氩原子去激励，结果可以发射出各种颗粒。这些包括伽玛射线，中子和质子，所有这些都可能在DUNE探测器中留下信号。DUNE的主要特征来自相互作用中发射的电子。短电子径和次级粒子(甚至更短的“斑点”)都构成DUNE中的主要超新星信号。

随着核心坍塌的进行，中微子将离开爆炸星。由于相互作用和信号留下的不同，DUNE应该能够区分超新星爆发的不同阶段。这可以帮助对超新星通量(每秒离开超新星的中微子数量)以及爆炸机制施加约束。

不同的超新星通量模型将在DUNE探测器中产生不同数量的中微子相互作用和信号。对于一种特殊的通量模型，称为收缩热模型，几个参数控制着中微子的能量和预期的相互作用数。本文介绍了一种方法的开发，该方法可从预期的DUNE超新星信号中测量通量模型参数。DUNE的信号会受到检测器的特定特性，检测器阈值和输入模型的影响。为了最准确地测量通量参数，必须考虑这些不确定性。

DUNE的合作将研究中微子的性质，以及为什么只要中微子到达探测器，恒星就会死掉的原因。随着物理学家不断完善和改进DUNE设计，他们将继续研究中微子，以解开核坍塌超新星爆发背后的奥秘。