超新星是白矮星或大質量恆星的爆炸，可以產生多達數十億顆正常恆星的光。這種短暫的天文現象可以在恆星到達其最終演化階段之後的任何時間發生。
人們認為超新星與極端的物理條件有關，遠比在宇宙中任何其他已知的天體物理現象（大爆炸除外）中觀察到的極端更極端。在涉及一顆巨大恆星的超新星中，恆星的核心會坍塌成中子星，而其餘部分則在爆炸中被噴出。
在這些劇烈的恆星爆炸過程中，新生中子星的溫度可能達到6000億度以上，密度可能比原恆星核高出10倍。這種超新星產生的熱中子星，是中微子的重要來源，因此可能成為粒子物理學研究的理想模型。
幾十年來，天文學家和天體物理學家一直在為超新星的出現做準備，他們設計了理論和計算模型來幫助當前了解這一令人著迷的宇宙事件。這些模型可以幫助分析和更好地了解使用最新的探測器和其他儀器（特別是用於測量中微子和重力波的儀器）收集的新數據。
早在1987年，研究人員就能夠使用稱為中微子探測器的儀器首次（迄今為止僅有一次）觀測超新星產生的中微子。這些中微子在大約十秒鐘的時間內傳播到地球，因此，它們的觀測提供了超新星殘骸能夠冷卻的速率的度量。
數十年來，這種測量被視為限制外來粒子冷卻超新星殘餘物的速度的限制。自從1987年首次引入以來，這一參考點被稱為「超新星冷卻界限」，已廣泛用於研究標準模型的擴展，標準模型是描述宇宙基本力的粒子物理學的基本理論。
德國馬克斯·普朗克天體物理研究所和史丹福大學的研究人員最近進行了一項研究，調查超新星作為平臺揭示標準模型以外的新物理的潛力。他們的論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，專門探討了類似於電子但質量大得多的μ介子粒子在超新星殘餘物冷卻中的作用。
「『超新星冷卻界限』的概念已經存在了數十年，但直到最近才開始意識到介子可以在超新星中扮演的角色，因此，關於如何耦合新粒子的工作很少進行。研究人員之一威廉·德羅科（William DeRocco）告訴我們，「我們意識到，通過對超新星中的μ介子進行尖端的模擬，我們可以在這些奇異的耦合上設置冷卻界限，這就是該項目誕生的原因。」
最近在《物理評論快報》中進行的這項研究是兩個研究小組（馬克斯·普朗克研究所的一個團隊和史丹福大學的一個）合作的結果。羅伯特·波林（Robert Bolling）和漢斯·託馬斯·揚卡（Hans-Thomas Janka）組成的馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）團隊進行了一系列超新星模擬，包括μ介子效應，同時還納入了有關超新星物理學的一些最新發現。
這些模擬導致創建了現有的最大的超新星剖面庫，其中包括μ介子，該庫現已向全球公開，全球所有天體物理學研究人員都可以使用。隨後，德羅科和史丹福大學的其他團隊使用該庫來計算軸子的生產率，試圖確定其在參數空間中的位置會違反1987年所描述的冷卻界限。
「超新星複雜過程的越來越詳細的模型，使我們能夠使用與超新星1987A相連的已有33年歷史的中微子測量結果，以了解有關粒子現象的新方面，而這在實驗室實驗中是很難發現的。」 揚卡告訴我們， 「威廉和彼得通過電子郵件聯繫了我的博士後羅伯特和我本人，並提出了他們的新想法，因此我們在雙方COVID-19封鎖期間通過電子郵件和視頻會議進行交流，共同合作開展該研究項目。」
德羅科、揚卡和他們的同事證明，超新星可能是尋找新的聲子物理學的強大實驗室模型，這一點直到現在還沒有被完全理解。他們的工作已經啟發其他研究小組，通過研究超新星中的介子來尋求標準模型之外的奇異物理學。因此，在將來，本文可能會為有關宇宙中的粒子和宇宙學現象的新的有趣發現鋪平道路。
「我認為超新星還有很多信息可以為我們提供標準模型的可能擴展。」 德羅科說，「到目前為止，我們僅見過一個銀河系超新星的中微子，但據估計，銀河系中超新星的消失速度約為每個世紀兩次，因此我們有很大的機會在未來幾十年內看到另一個。自1987年以來我們就使用了非常先進的探測器，從下一個銀河超新星的觀測中所獲得的信息將是巨大而令人興奮的，也許是在超新星中微子中，我們將首次觀測超出標準模型物理學！」