Lorsqu'une étoile massive atteint la fin de sa vie, il peut exploser dans un processus connu sous le nom de supernova. L'étoile massive, bien plus massive que notre soleil, manque de carburant dans son noyau. La gravité force le noyau à s'effondrer sur lui-même, provoquant la formation d'une onde de choc et la projection de matière stellaire dans l'espace. Métaux, ainsi que des éléments lourds tels que le carbone, sont expulsés dans l'univers.

Quatre-vingt-dix-neuf pour cent de l'énergie de l'étoile, cependant, est libéré sous forme de neutrinos, petites particules sans charge qui interagissent à peine avec la matière qui les entoure. Quand certains d'entre eux arrivent sur Terre, ils arrivent en trois saveurs-électron, muon et tau — en une rafale de quelques dizaines de secondes. En plus du fait qu'ils interagissent rarement avec la matière, chacun de ces neutrinos ne contient qu'une quantité relativement faible d'énergie, ce qui les rend encore plus difficiles à observer sur Terre.

Les scientifiques ont observé une fois des neutrinos de supernova, en 1987. Environ deux douzaines de neutrinos ont interagi dans plusieurs détecteurs de particules situés à travers le monde, et ces neutrinos nous ont donné un aperçu du cycle de vie des étoiles massives et de la façon dont elles meurent. Cependant, deux douzaines de neutrinos ne suffisent pas pour tout nous dire sur le déroulement des supernovae. Des dizaines de théories et de modèles différents existent pour décrire le processus d'explosion de la supernova. Pour le décrire complètement, nous devons observer plus de neutrinos provenant de supernovae à effondrement de cœur.

Entrez dans l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, hébergé par Fermilab. DUNE étudiera les propriétés des neutrinos et recherchera une nouvelle physique, en plus d'attendre l'arrivée des neutrinos de supernova. L'expérience comprendra deux détecteurs de particules - un "détecteur proche" au Laboratoire Fermi et un "détecteur lointain" situé à 1, À 300 kilomètres de l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Le détecteur lointain est l'endroit où la plupart des neutrinos de supernova seraient détectés. La taille massive du détecteur—70, 000 tonnes d'argon liquide, ainsi que sa sensibilité impressionnante signifient que des milliers de neutrinos pourraient être observés lors de la prochaine supernova dans notre galaxie.

La collaboration DUNE a publié un article sur la capacité de DUNE à effectuer la physique des supernovas. L'article discute du type d'activité que les scientifiques de DUNE s'attendent à voir dans leurs détecteurs lors d'un sursaut de supernova, comment DUNE saura une fois qu'une supernova se produira, et quels résultats DUNE pourra extraire des neutrinos de la supernova.

DUNE sera sensible principalement à la composante de saveur électronique des neutrinos - un nouveau type à ajouter à notre collection de données sur les neutrinos de supernova, qui jusqu'à présent n'est constitué que de l'échantillon de 1987 de neutrinos antiélectroniques. Cette sensibilité aux neutrinos électroniques distingue DUNE des autres expériences; c'est la seule expérience au monde qui fournira une mesure précise de la saveur électronique.

Lorsque les neutrinos de la supernova et les atomes d'argon interagissent, les protons et les neutrons constituant l'atome d'argon peuvent être élevés à un état d'énergie plus élevée. L'atome d'argon se désexcite alors, et une variété de particules peut être émise en conséquence. Il s'agit notamment des rayons gamma, neutrons et protons, tout cela pourrait laisser des signaux dans le détecteur DUNE. Les signatures primaires que DUNE recherchera proviennent des électrons émis lors de l'interaction. Les courtes traces d'électrons et les particules secondaires (même les « blips » plus courts) constituent les signaux dominants de la supernova dans DUNE.

Les neutrinos quitteront l'étoile qui explose alors que l'effondrement du cœur se poursuit. DUNE devrait être capable de distinguer les différentes étapes du sursaut de supernova en raison des différentes interactions et signaux qu'il laisse derrière lui. Cela peut aider à imposer des contraintes sur le flux de supernova (le nombre de neutrinos quittant la supernova par seconde) et le mécanisme d'explosion.

Différents modèles de flux de supernova produiront différents nombres d'interactions et de signaux de neutrinos dans le détecteur DUNE. Pour un modèle de flux particulier, appelé le modèle thermique pincé, plusieurs paramètres contrôlent les énergies des neutrinos et le nombre d'interactions attendues. L'article décrit le développement d'une méthode qui mesure les paramètres du modèle de flux à partir du signal attendu de la supernova DUNE. Le signal de DUNE peut être affecté par les caractéristiques particulières du détecteur, seuils de détecteur et modèles d'entrée. Ces incertitudes doivent être prises en compte pour la mesure la plus précise des paramètres de flux.

La collaboration DUNE étudiera les propriétés des neutrinos et les raisons pour lesquelles les étoiles meurent aussi longtemps que les neutrinos arrivent au détecteur. Alors que les physiciens continuent d'affiner et d'améliorer la conception de DUNE, ils continueront à étudier les neutrinos pour percer les mystères d'un sursaut de supernova avec effondrement du cœur.