El 24 de febrero 1987, luz de una supernova que explotó 168, Hace 000 años en la Gran Nube de Magallanes, un vecino de la Vía Láctea, llegó a la Tierra. Los astrónomos Ian Shelton y Oscar Duhalde del Observatorio Las Campanas en Chile informaron por primera vez de la supernova, llamado SN 1987A (o simplemente 87A), que fue uno de los más brillantes en casi cuatro siglos.

Una supernova como 87A ocurre cuando una estrella muchas veces más grande que nuestro sol se queda sin combustible en su núcleo. En este punto, el núcleo está hecho de hierro, y su destino depende de la batalla entre dos fuerzas:la gravedad intenta colapsarlo mientras que los electrones se repelen efectivamente entre sí, gracias al principio de exclusión de Pauli, un efecto mecánico-cuántico. Por un momento, se mantiene el equilibrio, pero la masa del núcleo de hierro sigue aumentando, debido a la combustión nuclear en el caparazón sobre él. Finalmente, la masa del núcleo alcanza un valor crítico llamado límite de Chandrasekhar, y el implacable tirón de la gravedad gana. El núcleo colapsa sobre sí mismo casi en caída libre, y se forma una onda de choque a su alrededor. Calentado por la energía de los neutrinos que escapan, la onda de choque expulsa las capas externas de la estrella en una explosión catastrófica que puede brillar brevemente con más intensidad que galaxias enteras. Después de perder su energía por la emisión de neutrinos, el núcleo finalmente se asienta en lo que se conoce como estrella de neutrones, efectivamente, un núcleo gigante hecho principalmente de neutrones.

Cuando Duhalde y Shelton vieron la luz del 87A, tres detectores de neutrinos de todo el mundo ya habían detectado pruebas de la supernova. La mayor parte de la energía liberada en una supernova se emite en forma de neutrinos, partículas subatómicas casi sin masa que rara vez reaccionan con la materia ordinaria. Debido a que interactúan tan débilmente, Los neutrinos pueden salir de la envoltura de una supernova que colapsa horas antes de que las partículas de luz, que montan la onda expansiva de la explosión, son expulsados.

Los neutrinos producidos por 87A llegaron a la Tierra justo antes de que lo hiciera la luz de la explosión. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), un observatorio de neutrinos en Ohio en la orilla del lago Erie, detectó ocho eventos de neutrinos. El Observatorio de Neutrinos Baksan en Rusia detectó cinco más, y Kamiokande II, un detector de neutrinos en las profundidades de una mina japonesa, vio 11. Fue la primera vez que se detectaron neutrinos de una supernova, aunque los científicos de neutrinos no se dieron cuenta hasta después de que Duhalde y Shelton anunciaran su observación. Encontraron los eventos de neutrinos en sus datos solo cuando los buscaron al escuchar las noticias sobre la supernova.

¿Algo increíble esperando ser conocido?

Más de 30 años después, Los científicos están construyendo el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), alojado por Fermilab. Sus 70, El detector de argón líquido de 000 toneladas se ubicará a casi una milla bajo tierra en la instalación de investigación subterránea de Sanford en Dakota del Sur. esperando a que llegue otra ráfaga de neutrinos de supernova. El descubrimiento presagiaría una nueva estrella en explosión en algún lugar de la Vía Láctea.

Kate Scholberg, un físico de partículas en la Universidad de Duke, dice que los neutrinos de las supernovas podrían enseñarnos mucho sobre las supernovas y la física de partículas si las detectamos la próxima vez que ocurra un evento como 87A. Eso es porque los neutrinos transportan información sobre la supernova mientras viajan por el espacio. Las señales que hacen los neutrinos en los detectores de partículas como DUNE permitirían a los físicos sacar conclusiones sobre las condiciones en las que se produjeron los neutrinos y proporcionar evidencia del destino de la estrella en explosión.

"De hecho, puedes ver los procesos que están sucediendo en tiempo real a medida que nace la estrella de neutrones, "dijo Scholberg, que estudia neutrinos como parte de DUNE.

Estos procesos podrían apuntar a una nueva física. Por ejemplo, si se producen partículas exóticas en una supernova, los rastros de su existencia serían evidentes en la señal hecha por los neutrinos. Eso es porque los físicos pueden calcular la energía total producida por una supernova, y pueden estimar cuánto se emitió como neutrinos a partir de la medición. Si la energía total detectada no se suma al total esperado, podría insinuar la producción de nuevas partículas.

"La detección de una supernova en 1987 de Kamiokande fue, a mi, una de las detecciones más impresionantes de la física de partículas, "dijo Inés Gil Botella, científico del Centro de Energía de España, Medio Ambiente y Tecnología, o CIEMAT, y uno de los protagonistas de la búsqueda de supernovas de DUNE. "Abrió un camino para comprender el universo a través de partículas distintas de los fotones. Esta nueva era de astrofísica de múltiples mensajeros realmente comenzó con la detección de neutrinos de supernovas".

La dimensión DUNE

Mientras que los detectores capturaron solo 24 de los neutrinos emitidos por 87A, Se publicaron cientos de artículos revisados ​​por pares como resultado del descubrimiento y la investigación posterior. Cuando se completa DUNE, podría ver muchos más neutrinos y contribuir a una ráfaga de investigación similar, y completamente nueva.

"DUNE tiene varias capacidades que son verdaderamente únicas entre todos los grandes detectores de neutrinos cuando se trata de estudios de neutrinos de supernovas, "dijo Steven Gardiner, un científico del Fermilab que trabaja en la simulación de lo que ocurre cuando un neutrino de supernova entra en un detector.

DUNE se diferencia de los detectores Cherenkov como Kamiokande en varios aspectos, incluso que utiliza argón líquido en lugar de agua como medio objetivo. Los detectores de argón líquido detectan neutrinos cuando chocan con núcleos de argón. El núcleo del argón está compuesto por protones y neutrones que están dispuestos en varios estados de energía. Cuando un neutrino choca con un núcleo de argón, un protón o neutrón en un estado de menor energía puede elevarse a un estado de mayor energía y conducir a la emisión de partículas del núcleo de argón a través de su desexcitación. Algunas de estas partículas pueden ser observadas por el detector.

"Cuando el núcleo se desexcita, pueden suceder algunas cosas diferentes, "Dijo Gardiner." El núcleo puede emitir rayos gamma, neutrones, protones o fragmentos nucleares más pesados. Potencialmente, puede ver rayos gamma en argón líquido, porque dispersarán electrones en el argón, y verá pequeñas señales que provienen de ellos ".

Detectores Cherenkov, que buscan principalmente antineutrinos de electrones que chocan contra protones desnudos, no puede reconstruir los rayos gamma con tanto detalle como los detectores de argón líquido.

Debido a la naturaleza complicada de la reconstrucción energética, Es todo un desafío reconstruir los eventos de neutrinos de supernova en un detector de argón líquido. Actualmente, Gardiner está construyendo simulaciones por computadora que pueden modelar las diversas firmas que pueden ocurrir cuando un neutrino interactúa con el argón líquido en DUNE.

"La dificultad es, porque tienes tantos estados excitados por argón disponibles, tiene todo tipo de firmas diferentes que podrían producirse en su detector, ", dijo." Y tienes que lidiar con ese nivel de complejidad para reconstruir completamente la energía de una colisión de neutrinos ".

Luego está el desafío de extraer la señal del ruido. Los neutrinos de supernova transportan mucha menos energía que, decir, neutrinos producidos por un acelerador de partículas, por lo que las señales que producen en el argón son más débiles. Descubrir estas interacciones de baja energía requiere tanto un detector sensible como el conocimiento de las diversas firmas de la interacción.

"Los neutrinos de alta energía son más fáciles de detectar, y sus interacciones son bien conocidas. Sabemos como se comportan "Gil Botella dijo." Pero en estos bajos, energías de supernova-neutrino, las interacciones con el argón no son muy conocidas. No tenemos muchos datos experimentales para decir qué sucede cuando un neutrino de baja energía interactúa con el argón ".

Y los científicos de los otros proyectos de neutrinos del mundo buscan cambiar eso, planificación de experimentos que ofrezcan una imagen más clara de los neutrinos de baja energía.

"Estudiar neutrinos es un asunto complicado, y tenemos más trabajo por hacer, pero las capacidades tecnológicas de DUNE hacen que esos desafíos sean mucho más manejables, ", Dijo Gardiner." Los beneficios de la física serán enormes. Si vamos a abordar estas preguntas, DUNE es una buena forma de hacerlo ".

Estación de oscilación

DUNE también podría ayudar a informar nuestra comprensión de la oscilación de neutrinos de una manera que otros detectores no pueden. En los detectores Cherenkov, la señal es producida principalmente por antineutrinos electrónicos que interactúan con moléculas de agua. En cambio, el argón líquido también toma muestras de neutrinos electrónicos de la eyección de la supernova.

"Necesitamos tanto neutrinos electrónicos como antineutrinos para desenredar los escenarios de oscilación, "dijo Alex Friedland, físico de partículas y científico senior del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en California. DUNA, porque será el único detector que podrá ver neutrinos de electrones, agrega una pieza faltante a ese rompecabezas.

Los neutrinos oscilan entre tres sabores (electrón, muon o tau) mientras se mueven por el espacio. Los físicos han estudiado las oscilaciones de neutrinos en los neutrinos producidos en el sol, en la atmósfera terrestre, de reactores nucleares y en haces de partículas de alta energía creados por aceleradores de partículas. Pero no han podido estudiarlos en supernovas, donde la cantidad de neutrinos producidos es simplemente fuera de serie en comparación con otras fuentes.

"Esta es la máxima frontera de intensidad, ", Dijo Friedland." La naturaleza lo hace por nosotros, así que solo tenemos que aprovechar eso. La supernova es un laboratorio al otro lado de la galaxia. Realiza experimentos, y "simplemente" tenemos que construir el detector y hacer una medición. Por supuesto, Es útil tener en cuenta que esta medición 'simplemente' es una de las tareas más desafiantes que DUNE, el detector de neutrinos más avanzado jamás construido, emprenderá. "

La oscilación de neutrinos generalmente describe una sola partícula que cambia de sabor, pero en las circunstancias adecuadas, como en el colapso de una supernova, muchos neutrinos pueden oscilar colectivamente.

"La oscilación colectiva significa que tienes neutrinos que pasan por el fondo de otros neutrinos, y un estado de sabor de un neutrino dado sabe lo que hacen todos los demás neutrinos que pasa en términos de sabor, ", Dijo Friedland.

Con suficientes señales de neutrinos, que podría acumular un detector como el gigante DUNE, los físicos pueden reconstruir el espectro de energía de los neutrinos electrónicos que llegan a la Tierra. Este espectro puede tener características sorprendentes impresas por oscilaciones colectivas de neutrinos dentro de la supernova. Con esa información, pueden ver cómo los neutrinos evolucionaron colectivamente en la estrella moribunda.

La información puede darles pistas sobre lo que le sucedió a la estrella misma, así como. La densidad de neutrinos es tan alta en una supernova de colapso del núcleo como 87A que afecta la forma en que explota la estrella. La onda de choque de la explosión es impulsada por lo que los físicos llaman viento impulsado por neutrinos.

Otros eventos de colapso del núcleo podrían no producir una supernova que podamos ver fácilmente desde la Tierra, pero sabremos que ocurrieron cuando los detectores de neutrinos registren una explosión.

"Cuando una estrella colapsa en un agujero negro, es probable que no reciba fuegos artificiales, ", Explicó Scholberg." Es posible que los observadores no vean nada, o simplemente ver una estrella parpadear. Ese tipo de eventos se verían brillantemente en los neutrinos ".

Una vez que los detectores DUNE estén en su lugar, se utilizarán para tomar medidas de neutrinos procedentes de aceleradores de Fermilab y esperar pacientemente a que explote una supernova. Esto sucede en nuestra galaxia en promedio una vez cada 30 a 50 años.

"Ese es el inconveniente del mundo de neutrinos de supernovas; siempre estamos esperando, ", Dijo Scholberg." Es mejor que no te pierdas nada ".

Cuando ocurre, una supernova de colapso del núcleo será un evento importante que afectará a múltiples campos de investigación, incluida la física de partículas y la astrofísica.

"Es tan impresionante:las supernovas producen una gran cantidad de neutrinos, viajan una distancia tan larga, y obtienes una señal directamente de algo que está a kiloparsecs de distancia, "Dijo Gil Botella." Es realmente asombroso tener acceso a información dentro de una estrella como esa. Es la conexión con los objetos del universo, lo desconocido del universo ".

Los miembros del público pueden registrarse para recibir alertas del Sistema de alerta temprana de SuperNova (SNEWS). El sistema automatizado incluye actualmente siete experimentos de neutrinos en Canadá, Porcelana, Italia, Japón y en el Polo Sur. Cuando los neutrinos producidos en una supernova llegan a la Tierra, SNEWS enviará alertas por correo electrónico para anunciar su llegada, lo que cautivaría a la comunidad investigadora.

"Una vez que ocurre la supernova, puedes olvidarte de todo lo demás en lo que estábamos pensando, Friedland dijo. "El mundo de la ciencia hablará de eso durante al menos un año o más".