Una supernova la explosión de una estrella masiva o enana blanca, puede crear tanta luz como miles de millones de estrellas normales. Este fenómeno astronómico transitorio puede ocurrir en cualquier momento después de que una estrella haya alcanzado sus etapas evolutivas finales.

Se cree que las supernovas están asociadas con condiciones físicas extremas, mucho más extremos que los observados durante cualquier otro fenómeno astrofísico conocido en el universo, excluyendo el Big Bang. En supernovas que involucran una estrella masiva, el núcleo de la estrella puede colapsar en una estrella de neutrones, mientras que el resto es expulsado en la explosión.

Durante estas violentas explosiones estelares, las temperaturas en la estrella de neutrones recién nacida pueden alcanzar más de 600 mil millones de grados, y las densidades pueden ser hasta 10 veces mayores que las de los núcleos atómicos. La estrella de neutrones caliente resultante de este tipo de supernova es una fuente importante de neutrinos y, por lo tanto, podría ser un modelo ideal para estudios de física de partículas.

Durante varias décadas, Los astrónomos y astrofísicos han estado tratando de prepararse para la ocurrencia de una supernova, idear modelos teóricos y computacionales que podrían ayudar a la comprensión actual de este fascinante evento cosmológico. Estos modelos podrían ayudar a analizar y comprender mejor los nuevos datos recopilados mediante detectores y otros instrumentos de última generación. particularmente aquellos diseñados para medir neutrinos y ondas gravitacionales.

En 1987, los investigadores pudieron observar neutrinos producidos en una supernova por primera vez y, hasta aquí, única vez, utilizando instrumentos conocidos como detectores de neutrinos. Estos neutrinos habían viajado a la Tierra durante un período de aproximadamente diez segundos, por lo tanto, su observación proporcionó una medida de la velocidad a la que los restos de una supernova pudieron enfriarse.

Desde hace décadas esta medida se consideró el límite de la rapidez con que las partículas exóticas pueden enfriar un remanente de supernova. Desde que se introdujo por primera vez en 1987, este punto de referencia, conocida como "restricción de enfriamiento de supernova, "se ha utilizado ampliamente para investigar extensiones del modelo estándar, la teoría primaria de la física de partículas que describe las fuerzas fundamentales del universo.

Investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania y la Universidad de Stanford han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga el potencial de las supernovas como plataformas para revelar nueva física más allá del modelo estándar. Su papel publicado en Cartas de revisión física , explora específicamente el papel de los muones, partículas que se asemejan a los electrones pero tienen masas mucho mayores, podría jugar en el enfriamiento de los remanentes de supernovas.

"Si bien el concepto de 'restricciones de enfriamiento de supernovas' ha existido durante décadas, la comunidad ha comenzado a apreciar recientemente el papel que pueden desempeñar los muones en las supernovas, y como un resultado, Se ha trabajado muy poco sobre cómo las nuevas partículas que se acoplan principalmente a los muones podrían afectar el enfriamiento, "William DeRocco, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Nos dimos cuenta de que al ejecutar simulaciones de vanguardia de muones en supernovas, podríamos colocar un límite de enfriamiento en estos acoplamientos exóticos, y así nació el proyecto ".

El estudio reciente presentado en Cartas de revisión física fue el resultado de una colaboración entre dos equipos de investigadores, uno en el Instituto Max Planck y otro en Stanford. El equipo del Instituto Max Planck, compuesto por Robert Bolling y Hans-Thomas Janka, ejecutó una serie de simulaciones de supernovas que incluían efectos muónicos, al tiempo que incorpora algunos de los descubrimientos más recientes sobre la física de las supernovas.

Estas simulaciones llevaron a la creación de la mayor biblioteca existente de perfiles de supernovas, incluidos muones, que ahora está disponible públicamente y al que pueden acceder todos los investigadores en astrofísica de todo el mundo. Después, De Rocco y el resto del equipo de Stanford utilizaron esta biblioteca para calcular las tasas de producción de partículas similares a axiones, tratando de determinar en qué lugar del espacio de parámetros su producción violaría la restricción de enfriamiento delineada en 1987.

"Los modelos cada vez más detallados de los procesos complejos en las supernovas aún nos permiten usar las mediciones de neutrinos de 33 años conectadas con la Supernova 1987A para aprender nuevos aspectos sobre los fenómenos de partículas, que son difíciles de explorar en experimentos de laboratorio, "Janka le dijo a Phys.org." William y Peter se pusieron en contacto con mi postdoctorado Robert y conmigo con sus ideas novedosas por correo electrónico, así que nos unimos para unir fuerzas en este proyecto de investigación durante el bloqueo de COVID-19 en ambos lados, comunicarse por correo electrónico y en videoconferencias ".

DeRocco, Janka, y sus colegas demostraron que las supernovas podrían ser modelos de laboratorio poderosos para buscar nueva física muónica, algo que no se ha apreciado del todo hasta ahora. Su trabajo ya ha inspirado a otros equipos de investigación a buscar física exótica más allá del modelo estándar mediante el estudio de muones en supernovas. En el futuro, Este artículo podría así allanar el camino hacia nuevos y fascinantes descubrimientos sobre partículas en el universo y fenómenos cosmológicos.

"Creo que todavía hay una gran cantidad de información que las supernovas pueden proporcionarnos sobre posibles extensiones del modelo estándar, ", Dijo DeRocco." Hasta ahora, solo hemos visto los neutrinos de una supernova galáctica, pero se estima que la velocidad a la que estallan las supernovas en nuestra galaxia es aproximadamente dos veces por siglo, por lo que tenemos muchas posibilidades de ver otro en las próximas décadas. Con los detectores significativamente avanzados que construimos desde 1987, la información que recibiríamos de la observación de la próxima supernova galáctica es enorme y emocionante para especular. ¡Quizás sea en los neutrinos de las supernovas donde haremos nuestra primera observación más allá de la física del modelo estándar! "

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