Quando uma estrela massiva chega ao fim de sua vida, pode explodir em um processo conhecido como supernova. A estrela massiva - muito mais massiva do que o nosso Sol - fica sem combustível em seu núcleo. A gravidade força o núcleo a colapsar sobre si mesmo, causando a formação de uma onda de choque e espalhando material estelar no espaço. Metais, junto com elementos pesados, como carbono, são expulsos para o universo.

Noventa e nove por cento da energia da estrela, Contudo, é liberado na forma de neutrinos, pequenas partículas sem carga que mal interagem com a matéria que as rodeia. Quando alguns deles chegam na Terra, eles chegam em três sabores - elétron, muon e tau - em uma explosão de algumas dezenas de segundos. Junto com o fato de que raramente interagem com a matéria, cada um desses neutrinos contém apenas uma quantidade relativamente pequena de energia, o que os torna ainda mais difíceis de observar na Terra.

Os cientistas observaram neutrinos de supernova uma vez, em 1987. Cerca de duas dúzias de neutrinos interagiram em vários detectores de partículas localizados em todo o globo, e esses neutrinos nos deram uma visão sobre o ciclo de vida de estrelas massivas e como elas morrem. Contudo, duas dúzias de neutrinos não são suficientes para nos dizer tudo sobre como as supernovas ocorrem. Existem dezenas de teorias e modelos diferentes para descrever o processo de explosão da supernova. Para descrevê-lo completamente, precisamos observar mais neutrinos de supernovas de colapso do núcleo.

Entre no experimento internacional Deep Underground Neutrino, hospedado pelo Fermilab. DUNE estudará as propriedades dos neutrinos e buscará novas físicas, junto com a espera pela chegada dos neutrinos da supernova. O experimento compreenderá dois detectores de partículas - um "detector próximo" no Fermilab e um "detector distante" localizado 1, 300 quilômetros de distância, no Sanford Underground Research Facility, em South Dakota. O detector distante é onde a maioria dos neutrinos da supernova seria detectada. O enorme tamanho do detector - 70, 000 toneladas de argônio líquido - junto com sua impressionante sensibilidade significa que milhares de neutrinos podem ser observados durante a próxima supernova em nossa galáxia.

A colaboração do DUNE publicou um artigo sobre a capacidade do DUNE de realizar física de supernova. O artigo discute que tipo de atividade os cientistas DUNE esperam ver em seus detectores durante uma explosão de supernova, como DUNE saberá quando uma supernova ocorrer, e quais resultados DUNE será capaz de extrair dos neutrinos da supernova.

DUNE será sensível principalmente ao componente de sabor de elétrons dos neutrinos - um novo tipo a ser adicionado à nossa coleção de dados de neutrinos de supernova, que até agora é composta apenas de amostras de neutrinos antielétrons de 1987. Essa sensibilidade aos neutrinos de elétrons diferencia o DUNE de outros experimentos; é o único experimento no mundo que fornecerá uma medida precisa do sabor do elétron.

Quando os neutrinos da supernova e os átomos de argônio interagem, os prótons e nêutrons que constituem o átomo de argônio podem ser elevados a um estado de energia superior. O átomo de argônio, então, desexcita, e uma variedade de partículas pode ser emitida como resultado. Isso inclui raios gama, nêutrons e prótons, tudo isso pode deixar sinais no detector DUNE. As assinaturas primárias que DUNE procurará vêm dos elétrons emitidos na interação. Tanto as trilhas curtas de elétrons quanto as partículas secundárias ("blips" ainda mais curtas) constituem os sinais dominantes da supernova em DUNE.

Os neutrinos deixarão a estrela em explosão durante o colapso do núcleo. O DUNE deve ser capaz de distinguir entre os diferentes estágios da explosão da supernova por causa das diferentes interações e sinais que ela deixa para trás. Isso pode ajudar a restringir o fluxo da supernova - o número de neutrinos que saem da supernova por segundo - e o mecanismo de explosão.

Diferentes modelos de fluxo de supernova irão produzir diferentes números de interações de neutrinos e sinais no detector DUNE. Para um modelo de fluxo específico, chamado de modelo térmico comprimido, vários parâmetros controlam as energias dos neutrinos e o número de interações esperadas. O artigo descreve o desenvolvimento de um método que mede os parâmetros do modelo de fluxo do sinal esperado da supernova DUNE. O sinal do DUNE pode ser afetado pelas características particulares do detector, limiares do detector e modelos de entrada. Essas incertezas devem ser levadas em consideração para a medição mais precisa dos parâmetros de fluxo.

A colaboração DUNE irá investigar as propriedades dos neutrinos e por que as estrelas morrem enquanto os neutrinos chegam ao detector. À medida que os físicos continuam a refinar e melhorar o design do DUNE, eles continuarão a estudar neutrinos para desvendar os mistérios por trás de uma explosão de supernova com colapso do núcleo.