Büyük bir yıldız yaşamının sonuna geldiğinde, süpernova olarak bilinen bir süreçte patlayabilir. Güneşimizden çok daha büyük olan devasa yıldızın çekirdeğindeki yakıt biter. Yerçekimi, çekirdeği kendi üzerine çökmeye zorlayarak bir şok dalgasının yıldız şeklindeki materyali oluşturup uzaya fırlatmasına neden olur. Metaller, karbon gibi ağır elementlerle birlikte evrene atılır.
Bununla birlikte, yıldızın enerjisinin yüzde doksan dokuzu, onları çevreleyen maddeyle zar zor etkileşime giren nötrinolar şeklinde salınır. Bazıları Dünya’ya vardıklarında, birkaç on saniye uzunluğundaki patlamalarla üç tür – elektron, müon ve tau – olarak varırlar. Maddeyle nadiren etkileşime girdikleri gerçeğinin yanı sıra, bu nötrinoların her biri yalnızca nispeten az miktarda enerji içerir, bu da onları Dünya’da gözlemlemeyi daha da zorlaştırır.
Bilim insanları, 1987’de bir kez süpernova nötrinolarını gözlemlediler. Yaklaşık iki düzine nötrino, dünyanın dört bir yanında bulunan birkaç parçacık detektöründe etkileşime girdi ve bu nötrinolar bize büyük yıldızların yaşam döngüleri ve nasıl öldükleri hakkında fikir verdi. Ancak, iki düzine nötrino, süpernovanın nasıl oluştuğu hakkında bize her şeyi anlatmak için yeterli değil. Süpernova patlama sürecini tanımlamak için düzinelerce farklı teori ve model mevcuttur. Tam olarak tanımlamak için çekirdek çöküşü süpernovalarından daha fazla nötrino gözlemlememiz gerekiyor.
Fermilab’ın ev sahipliği yaptığı uluslararası Derin Yeraltı Nötrino Deneyine girin. DUNE, nötrino özelliklerini inceleyecek ve süpernova nötrinolarının gelmesini beklemenin yanı sıra yeni fizik arayacak. Deney, Fermilab’da bir “yakın dedektör” ve Güney Dakota’daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisinde 1.300 kilometre uzaklıkta bulunan bir “uzak dedektör” olmak üzere iki parçacık dedektöründen oluşacak. Uzak detektör, süpernova nötrinolarının çoğunun tespit edileceği yerdir. Dedektörün muazzam boyutu – 70.000 ton sıvı argon – etkileyici hassasiyeti ile birlikte galaksimizdeki bir sonraki süpernovada binlerce nötrino gözlemlenebileceği anlamına geliyor.
DUNE işbirliği, DUNE’nin süpernova fiziği gerçekleştirme kapasitesi hakkında bir makale yayınladı. Makale, DUNE bilim insanlarının bir süpernova patlaması sırasında dedektörlerinde ne tür bir aktivite görmeyi beklediklerini, bir süpernova meydana geldiğinde DUNE’nin nasıl bileceğini ve DUNE’nin süpernova nötrinolarından hangi sonuçları çıkarabileceğini tartışıyor.
DUNE, esas olarak nötrinoların elektron çeşnisi bileşenine duyarlı olacak – şimdiye kadar sadece 1987’nin antielektron nötrinoları örneğinden oluşan süpernova nötrino verileri koleksiyonumuza eklenecek yeni bir tür. Elektron nötrinolarına olan bu duyarlılık DUNE’u diğer deneylerden ayırır; bu, elektron aromasının kesin bir ölçümünü sağlayacak dünyadaki tek deneydir.
Süpernova nötrinoları ve argon atomları etkileşime girdiğinde, argon atomunu oluşturan protonlar ve nötronlar daha yüksek bir enerji durumuna yükseltilebilir. Argon atomu daha sonra uyarılır ve sonuç olarak çeşitli parçacıklar yayılabilir. Bunlar arasında gama ışınları, nötronlar ve protonlar bulunur ve bunların tümü DUNE dedektöründe sinyal bırakabilir. DUNE’un arayacağı birincil imzalar etkileşim sırasında yayılan elektronlardan gelir. Hem kısa elektron izleri hem de ikincil parçacıklar (hatta daha kısa “çarpmalar”) DUNE’daki baskın süpernova sinyallerini oluşturur.
Nötrinolar, çekirdek çöküşü devam ederken patlayan yıldızı terk edecek. DUNE, geride bıraktığı farklı etkileşimler ve sinyaller nedeniyle süpernova patlamasının farklı aşamalarını ayırt edebilmelidir. Bu, süpernova akışına (saniyede süpernovadan ayrılan nötrinoların sayısına) ve patlama mekanizmasına kısıtlamalar getirmeye yardımcı olabilir.
Farklı süpernova akı modelleri, DUNE detektöründe farklı sayıda nötrino etkileşimi ve sinyalleri üretecektir. Sıkıştırılmış termal model olarak adlandırılan belirli bir akı modeli için, birkaç parametre nötrino enerjilerini ve beklenen etkileşim sayısını kontrol eder. Makale, beklenen DUNE süpernova sinyalinden akı modeli parametrelerini ölçen bir yöntemin geliştirilmesini açıklamaktadır. DUNE’nin sinyali, dedektörün belirli özelliklerinden, dedektör eşiklerinden ve giriş modellerinden etkilenebilir. Akı parametrelerinin en doğru ölçümü için bu belirsizlikler hesaba katılmalıdır.
DUNE işbirliği, nötrino özelliklerini ve nötrinolar detektöre ulaştığı sürece yıldızların neden öldüğünü araştıracak. Fizikçiler DUNE tasarımını iyileştirmeye ve geliştirmeye devam ederken, bir çekirdek çöküşü süpernova patlamasının arkasındaki gizemleri çözmek için nötrinoları incelemeye devam edecekler.
Çeviri: Simge Kara