超新星是白矮星或大质量恒星的爆炸，可以产生多达数十亿颗正常恒星的光。这种短暂的天文现象可以在恒星到达其最终演化阶段之后的任何时间发生。
人们认为超新星与极端的物理条件有关，远比在宇宙中任何其他已知的天体物理现象（大爆炸除外）中观察到的极端更极端。在涉及一颗巨大恒星的超新星中，恒星的核心会坍塌成中子星，而其余部分则在爆炸中被喷出。
在这些剧烈的恒星爆炸过程中，新生中子星的温度可能达到亿度以上，密度可能比原恒星核高出10倍。这种超新星产生的热中子星，是中微子的重要来源，因此可能成为粒子物理学研究的理想模型。
几十年来，天文学家和天体物理学家一直在为超新星的出现做准备，他们设计了理论和计算模型来帮助当前了解这一令人着迷的宇宙事件。这些模型可以帮助分析和更好地了解使用最新的探测器和其他仪器（特别是用于测量中微子和重力波的仪器）收集的新数据。
早在年，研究人员就能够使用称为中微子探测器的仪器首次（迄今为止仅有一次）观测超新星产生的中微子。这些中微子在大约十秒钟的时间内传播到地球，因此，它们的观测提供了超新星残骸能够冷却的速率的度量。
数十年来，这种测量被视为限制外来粒子冷却超新星残余物的速度的限制。自从年首次引入以来，这一参考点被称为“超新星冷却界限”，已广泛用于研究标准模型的扩展，标准模型是描述宇宙基本力的粒子物理学的基本理论。
德国马克斯·普朗克天体物理研究所和斯坦福大学的研究人员最近进行了一项研究，调查超新星作为平台揭示标准模型以外的新物理的潜力。他们的论文发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上，专门探讨了类似于电子但质量大得多的μ介子粒子在超新星残余物冷却中的作用。
“‘超新星冷却界限’的概念已经存在了数十年，但直到最近才开始意识到介子可以在超新星中扮演的角色，因此，关于如何耦合新粒子的工作很少进行。研究人员之一威廉·德罗科（WilliamDeRocco）告诉我们，“我们意识到，通过对超新星中的μ介子进行尖端的模拟，我们可以在这些奇异的耦合上设置冷却界限，这就是该项目诞生的原因。”
最近在《物理评论快报》中进行的这项研究是两个研究小组（马克斯·普朗克研究所的一个团队和斯坦福大学的一个）合作的结果。罗伯特·波林（RobertBolling）和汉斯·托马斯·扬卡（Hans-ThomasJanka）组成的马克斯·普朗克研究所（MaxPlanckInstitute）团队进行了一系列超新星模拟，包括μ介子效应，同时还纳入了有关超新星物理学的一些最新发现。
这些模拟导致创建了现有的最大的超新星剖面库，其中包括μ介子，该库现已向全球公开，全球所有天体物理学研究人员都可以使用。随后，德罗科和斯坦福大学的其他团队使用该库来计算轴子的生产率，试图确定其在参数空间中的位置会违反年所描述的冷却界限。
“超新星复杂过程的越来越详细的模型，使我们能够使用与超新星A相连的已有33年历史的中微子测量结果，以了解有关粒子现象的新方面，而这在实验室实验中是很难发现的。”扬卡告诉我们，“威廉和彼得通过电子邮件联系了我的博士后罗伯特和我本人，并提出了他们的新想法，因此我们在双方COVID-19封锁期间通过电子邮件和视频会议进行交流，共同合作开展该研究项目。”
德罗科、扬卡和他们的同事证明，超新星可能是寻找新的声子物理学的强大实验室模型，这一点直到现在还没有被完全理解。他们的工作已经启发其他研究小组，通过研究超新星中的介子来寻求标准模型之外的奇异物理学。因此，在将来，本文可能会为有关宇宙中的粒子和宇宙学现象的新的有趣发现铺平道路。
“我认为超新星还有很多信息可以为我们提供标准模型的可能扩展。”德罗科说，“到目前为止，我们仅见过一个银河系超新星的中微子，但据估计，银河系中超新星的消失速度约为每个世纪两次，因此我们有很大的机会在未来几十年内看到另一个。自年以来我们就使用了非常先进的探测器，从下一个银河超新星的观测中所获得的信息将是巨大而令人兴奋的，也许是在超新星中微子中，我们将首次观测超出标准模型物理学！”