装有7万吨液氩的探测器，能否探测到超新星产生的神秘中微子？

当一颗大质量恒星到达生命的尽头时，它可能会以一种被称为超新星的过程爆炸。这种比太阳质量大得多的大质量恒星在其核心耗尽了燃料，引力迫使核心自行坍塌，导致冲击波形成，并将恒星物质喷射到太空中，金属与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释放出来，中微子是不带电荷的粒子，几乎不与周围的物质相互作用。

当一些中微子到达地球时，它们在几十秒长的瞬间以电子、µ子和τ到达地球。除了很少与物质相互作用外，这些中微子中的每一个都只包含相对较少的能量，这使得它们在地球上更难观察到。科学家曾在1987年观测过一次超新星爆炸产生的中微子，大约24个中微子在全球各地的几个粒子探测器中相互作用，这些中微子让我们深入了解大质量恒星的生命周期和它们是如何演化至末期的。

然而，24个中微子并不足以告诉我们超新星是如何发生的。有几十种不同的理论和模型来描述超新星爆炸过程，为了全面描述它，需要观察更多来自核心塌缩超新星的中微子。进入由费米实验室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物理学，同时等待超新星中微子的到来。该实验将包括两个粒子探测器：位于费米实验室的“近探测器”和位于南达科他州桑福德地下研究设施1300公里外的“远探测器”。

电子中微子

最远的探测器是大多数超新星中微子被探测到的地方，探测器的巨大尺寸（7万吨液氩）加上其令人印象深刻的灵敏度，意味着在我们银河系的下一次超新星期间可以观测到数千个中微子。DUNE主要对中微子电子味敏感，这是科学家收集超新星爆炸中微子数据中的一种新类型，到目前为止，这些数据只由1987年的反电子中微子样本组成，这种对电子中微子的敏感度使DUNE有别于其他实验。

DUNE是世界上唯一能精确测量电子中微子的实验室，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提升到更高的能级。然后氩原子失激，结果可以发射出各种粒子。其中包括伽马射线、中子和质子，所有这些都可能在DUNE探测器上留下信号。DUNE将寻找的主要签名来自于相互作用中发射的电子，短电子轨迹和次级粒子(甚至更短的“光点”)共同构成了DUNE上的主要超新星信号。

超新星与中微子

随着大质量核心塌陷的进行，中微子将离开正在爆炸的恒星。DUNE丘应该能够区分超新星爆炸的不同阶段，因为它留下了不同的相互作用和信号。这有助于对每秒离开超新星的中微子数量和爆炸机制施加限制。不同超新星中微子流量模型会在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，称为箍缩热模型，有几个参数控制着中微子的能量和预期相互作用次数。

从预期DUNE超新星信号中测量通量模型参数方法的发展，DUNE的信号会受到探测器的特殊特性、探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合作将研究中微子的性质，随着物理学家不断完善和改进DUNE的设计，将继续研究中微子，以揭开大质量恒星核心坍塌超新星爆炸背后的奥秘。

博科园｜研究/来自：费米国家加速器实验室

参考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:2008.06647

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