Les étoiles massives finissent leur vie dans des explosions appelées supernovae à effondrement du cœur. Ces explosions produisent un très grand nombre de particules à interaction faible appelées neutrinos. Les scientifiques travaillant sur l'expérience Deep Underground Neutrino, hébergé par Fermilab, cherchent à effectuer une mesure détaillée des neutrinos de supernova. Cet effort pourrait conduire à des découvertes révolutionnaires en physique des particules et en astrophysique, dont la première observation de la transition d'une supernova en étoile à neutrons ou trou noir.

Pour détecter les neutrinos de supernova, DUNE recherchera principalement des réactions dans lesquelles un neutrino entre en collision avec un noyau d'argon et se transforme en électron. Des images 3D précises de ces réactions "à courant chargé" seront enregistrées par des détecteurs de particules avancés. Les images seront ensuite comparées aux résultats des simulations. Un nouveau programme informatique appelé MARLEY, décrit dans ce manuscrit, génère les premières simulations complètes de réactions à courant chargé entre les neutrinos de supernova et les noyaux d'argon.

Le programme MARLEY permet aux chercheurs d'étudier une variété de questions scientifiques. Les physiciens théoriciens peuvent l'utiliser pour mieux comprendre ce que les futures mesures de DUNE pourraient nous dire sur la nature des neutrinos, étoiles et l'univers au sens large. Les physiciens expérimentaux peuvent utiliser MARLEY pour s'entraîner à analyser les « fausses données » d'une supernova simulée en vue de la réalité. S'appuyant sur des techniques de reconstruction pionnières développées pour la première fois pour l'expérience ArgoNeuT et publiées dans Examen physique D , la collaboration MicroBooNE a effectué de telles simulations récemment. Toutes ces tâches d'analyse physique peuvent être accomplies sans que les utilisateurs de MARLEY soient des experts en physique nucléaire. Plusieurs articles scientifiques ont été publiés qui incluent des résultats calculés avec MARLEY, et d'autres sont attendus à l'avenir.

L'une des informations les plus utiles que les scientifiques de DUNE prévoient de mesurer est l'énergie de chaque neutrino de supernova qui se diffuse dans le détecteur. Ces données donneront un aperçu du déroulement d'une supernova et testeront notre compréhension actuelle des supernovae. Parce que les neutrinos interagissent faiblement, cela ne peut pas être fait directement. Au lieu, les scientifiques doivent soigneusement mesurer et additionner les énergies de toutes les particules produites par une réaction neutrino-argon :non seulement l'électron sortant, mais aussi toutes les particules qui sont éjectées du noyau lui-même. Ceux-ci peuvent inclure des rayons gamma, protons, neutrons, et parfois des amas de neutrons et de protons liés ensemble. Une description complète de chaque collision de neutrinos comprend l'énergie et la direction de l'électron, ainsi que des détails similaires sur les particules nucléaires éjectées. Un nouvel article dans Physical Review C explique comment MARLEY fournit le premier modèle théorique capable de prédire toutes ces informations pour les collisions à courant chargé de neutrinos électroniques de supernova avec l'argon.