Neutrinos aus Kernkollaps-Supernovae

Eine Supernova ist das Ende des Lebens eines massereichen Sterns. Wenn ein massereicher Stern stirbt, verabschiedet er sich auf spektakuläre Weise: mit der stärksten Explosion, die im Universum bekannt ist.

Wissenschaftler glauben, dass große Mengen von Neutrinos erzeugt werden, die enorme Mengen an Energie mit sich tragen, wenn die Energiequelle des Sterns versiegt und er kollabiert. Einige dieser Neutrinos werden von in sich zerfallender Materie absorbiert, die heiß wird und sich ausdehnt. Schließlich bricht der Stern in einer furiosen Explosion auseinander.

Im dem Anteil der ausströmenden Neutrinos fanden EU-finanzierte Wissenschaftler ein einzigartiges astrophysikalisches Labor, um die Flavour-Evolution von Neutrinos zu untersuchen. Das Projekt DENSE NEUTRINOS (Neutrino oscillations in dense medium: Probing particle physics together with astrophysics and cosmology) konzentrierte sich auf Flavour-Instabilitäten, die durch Neutrino-Neutrino-Wechselwirkungen in den tiefsten stellaren Regionen induziert werden.

Ein wertvolles Instrument für die Diagnose von Instabilitäten lieferte die linearisierte Stabilitätsanalyse der Neutrino-Bewegungsgleichungen. Diese Methode half dabei, den Beginn von Flavour-Konversionen anhand von realistischen Neutrinos und Materie-Dichteprofilen von Kernkollaps-Supernovae festzustellen. Speziell wendete das Team von DENSE NEUTRINOS diese Methode an, um die Annahme der Achsensymmetrie in der Neutrino-Ausbreitung zu eliminieren.

Eine Multi-Azimutwinkel-Instabilität wurde zusätzlich zum Mehrzenithwinkel gefunden. Die Forscher verglichen die Ergebnisse mit numerischen Simulationen, die auf nichtlinearen Neutrino-Ausbreitungsgleichungen basierten, und führten den Azimutwinkel als eine Variable zusätzlich zu dem Zenitwinkel ein. Es stellte sich heraus, dass die ungleichmäßigen Winkelverteilungen das Wachstum von Flavour-Instabilitäten unterdrückten.

Die von DENSE NEUTRINOS verwendeten Neutrinos und Materie-Dichteprofile stammten aus Modellen von Kernkollaps-Explosionen. Ein überraschendes Merkmal bei diesen Simulationen war, dass die Emission in einer Hemisphäre des Sterns stark durch Elektronen-Flavour-Neutrinos dominiert wurde. In der entgegengesetzten Hemisphäre wiesen die Elektronen-Flavour-Antineutrinos und Neutrinos ähnliche Flüsse auf.

Mit Beobachtungen von Hochenergie-Neutrinos aus Anlagen wie dem IceCube-Experiment und mit der Rechenleistung durch parallele Architekturen können die Wissenschaftler nun einen besseren Einblick in die Physik von Kernkollaps-Supernovae erhalten. Das Projekt DENSE NEUTRINO machte einen großen Schritt in diese Richtung.