Multi-messenger astronomy began when a massive star underwent core collapse in a neighboring dwarf galaxy, whose light and neutrinos reached Earth in 1987. Supernova 1987A was observed optically but was also observed through roughly two dozen neutrinos. Modern instruments have the ability to measure electromagnetic signatures in more wavelengths and detect many more neutrinos from a nearby core-collapse supernova, providing insight into an astrophysical phenomena that is not yet fully understood. In this dissertation, we discuss predictions for future core-collapse supernova signals and the nuclear and particle interactions that produce them. We focus on several different aspects related to both typical and rare supernovae. The diffuse supernova neutrino background (DSNB) - the isotropic background of ~10 MeV neutrinos from all past supernovae - is one such signal that does not rely on a local event for neutrino detection. We update several aspects of theoretical DSNB modeling by (i) using simulation data to better understand neutrino emission spectra as a function of time, (ii) collating recent star formation rate measurements to infer the rate of core collapse in the cosmos, and (iii) performing a signal vs. background analysis of state-of-the-art neutrino experiments. We find that the DSNB is likely to be detected in the next two decades, but large uncertainty on the average neutrino emission spectra combined with unclear treatment of background events prevents a precise timeline. We also discuss the signatures from rare supernovae driven by magnetorotational engines called protomagnetars. We find that outflows from these central engines can produce pions through inelastic np interactions, resulting in ~0.1 - 10 GeV neutrinos that are detectable for galactic supernovae. We also find that these outflows can synthesize heavier nuclei than traditional supernovae through the `weak r-process.' We compare the nucleosynthesis in supernova outflows to that in compact object mergers and find that mergers are more conducive for creating the heaviest nuclei. We also predict the detection rates of another kind of transient called kilonovae that are powered by the decay of unstable nuclei. Finally, these protomagnetar systems may be able to accelerate nuclei in relativistic jets. If these jets are beamed toward us, the gamma ray lines from the decays of unstable nuclei can be boosted to high energies and are detectable from extragalactic distances. / Doctor of Philosophy / Supernovae are one of the most well studied astronomical phenomena because of how broadly they connect to different fields of physics. This kind of event can be bright enough to be seen visually and has been observed and documented for centuries. Its name derives from nova stella - Latin for `new star' - but supernovae occur as the final stages of a star's life. Core-collapse supernovae are an important subclass that occur for stars several times more massive than our own sun. There is a long history of core-collapse supernova observation - from the naked eye to modern optical telescopes - but only one has ever been observed using a particle other than light. SN1987A was a nearby core-collapse supernova that occurred in 1987 and emitted a large burst of rarely interacting particles known as neutrinos along with its usual optical emission. Only two dozen neutrinos were detected during this event, but nearby core-collapse supernovae are rare and astronomers have been eager for another one. With today's modern neutrino detectors, a nearby core-collapse supernova would yield thousands of neutrino events which would help astronomers learn about the internal physics occurring during the collapse, which an optical signal cannot do. In this dissertation, we study the ways in which light and neutrinos can teach us more about core-collapse supernovae. We cover another way to observe supernova neutrinos without waiting for one nearby to occur by predicting the signal from the `diffuse supernova neutrino background.' This is a background of supernova neutrinos that constantly surrounds us, but interacts extremely infrequently, so kiloton-mass detectors are needed to detect this background. Measuring this will also shed light on how stars evolve over a galaxy's history. There are additional subclasses of core-collapse supernovae that give rise to the usual optical and neutrino signal but may also populate the universe with heavy elements, produce higher energy light, and emit higher energy neutrinos. This class is even rarer but are systematically more energetic and are powered internally by objects called `protomagnetars.' We study models of these rare, energetic supernovae and make predictions for each of these signals - heavy elements, high energy light, and high energy neutrinos - to help answer outstanding questions in astrophysics and make predictions for events not yet seen.

SNO+, the successor of the Sudbury Neutrino Observatory, is an upcoming low energy neutrino experiment, located in the 2 km deep laboratory SNOLAB, Canada. The spheric acrylic vessel in the detector center will contain 780 t of LAB. The main goal of SNO+ is the search for the neutrinoless double beta decay of 130Te, using a novel scintillator in which natural Te is bound with an initial loading of 0.3% via water and a surfactant. Within this thesis, the first measurement of the Alpha-particle and proton quenching parameters of loaded and unloaded LAB is described. These parameters are crucial for an efficient background suppression, necessary to reach a sensitivity above the current limit in 76Ge of T1/2(0v) > 2.1 x 10^(25) y (90% C.L.). For 0.3% Te-loading, the quenching parameter obtained is kB = (0.0070 +/- 0.0004) cm/MeV for Alpha-particles and kB = (0.0090 +/- 0.0003) cm/MeV for protons. Additionally, the spectral sensitivity of SNO+ to supernova electron anti-neutrinos and muon and tau (anti-)neutrinos is determined for the first time, using inverse beta decay and v-p elastic scattering with the measured quenching parameters. The obtained sensitivity to the mean energy of electron anti-neutrinos is E = 15.47^(+1.54)_(-2.43) MeV and of muon and tau (anti-)neutrinos is E = 17.81^(+3.49)_(-3.09) MeV. / SNO+, der Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatorys, ist ein bevorstehendes Niederenergie-Neutrino-Experiment im 2 km tiefen Untergrundlabor SNOLAB in Kanada. Die Acryl-Kugel im Zentrum des Detektors wird mit 780 t LAB gefüllt werden. Das Hauptziel von SNO+ ist die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall von 130Te mit einem neuartigen Szintillator, in dem natürliches Te mit einer Anfangskonzentration von 0.3% über Wasser und ein Tensid gebunden wird. In dieser Arbeit wird erstmals die Messung der Alpha-Teilchen und Proton Quenching Parameter in diesem und in normalem LAB beschrieben. Die Parameter sind unverzichtbar für eine effiziente Untergrund Unterdrückung, die notwendig ist um auf das bestehende Limit in 76Ge von T1/2(0v) > 2.1 x 10^(25) y (90% C.L.) sensitiv zu sein. Der ermittelte Quenching Parameter bei 0.3% Te beträgt kB = (0.0070 +/- 0.0004) cm/MeV für Alpha-Teilchen und kB = (0.0090 +/- 0.0003) cm/MeV für Protonen. Zusätzlich wird erstmals die spektrale Sensitivität von SNO+ auf Supernova Elektron Anti-Neutrinos und Muon and Tau (Anti-)Neutrinos bestimmt über den inversen Betazerfall und die elastische v-p Streuung zusammen mit den gemessenen Quenching Parametern. Die ermittelte Sensitivität auf die mittlere Energie der Elektron Anti-Neutrinos ist E = 15.47^(+1.54)_(-2.43) MeV und der Muon und Tau (Anti-)Neutrinos ist E = 17.81^(+3.49)_(-3.09) MeV.

SNO+, the successor of the Sudbury Neutrino Observatory, is an upcoming low energy neutrino experiment, located in the 2 km deep laboratory SNOLAB, Canada. The spheric acrylic vessel in the detector center will contain 780 t of LAB. The main goal of SNO+ is the search for the neutrinoless double beta decay of 130Te, using a novel scintillator in which natural Te is bound with an initial loading of 0.3% via water and a surfactant. Within this thesis, the first measurement of the Alpha-particle and proton quenching parameters of loaded and unloaded LAB is described. These parameters are crucial for an efficient background suppression, necessary to reach a sensitivity above the current limit in 76Ge of T1/2(0v) > 2.1 x 10^(25) y (90% C.L.). For 0.3% Te-loading, the quenching parameter obtained is kB = (0.0070 +/- 0.0004) cm/MeV for Alpha-particles and kB = (0.0090 +/- 0.0003) cm/MeV for protons. Additionally, the spectral sensitivity of SNO+ to supernova electron anti-neutrinos and muon and tau (anti-)neutrinos is determined for the first time, using inverse beta decay and v-p elastic scattering with the measured quenching parameters. The obtained sensitivity to the mean energy of electron anti-neutrinos is E = 15.47^(+1.54)_(-2.43) MeV and of muon and tau (anti-)neutrinos is E = 17.81^(+3.49)_(-3.09) MeV. / SNO+, der Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatorys, ist ein bevorstehendes Niederenergie-Neutrino-Experiment im 2 km tiefen Untergrundlabor SNOLAB in Kanada. Die Acryl-Kugel im Zentrum des Detektors wird mit 780 t LAB gefüllt werden. Das Hauptziel von SNO+ ist die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall von 130Te mit einem neuartigen Szintillator, in dem natürliches Te mit einer Anfangskonzentration von 0.3% über Wasser und ein Tensid gebunden wird. In dieser Arbeit wird erstmals die Messung der Alpha-Teilchen und Proton Quenching Parameter in diesem und in normalem LAB beschrieben. Die Parameter sind unverzichtbar für eine effiziente Untergrund Unterdrückung, die notwendig ist um auf das bestehende Limit in 76Ge von T1/2(0v) > 2.1 x 10^(25) y (90% C.L.) sensitiv zu sein. Der ermittelte Quenching Parameter bei 0.3% Te beträgt kB = (0.0070 +/- 0.0004) cm/MeV für Alpha-Teilchen und kB = (0.0090 +/- 0.0003) cm/MeV für Protonen. Zusätzlich wird erstmals die spektrale Sensitivität von SNO+ auf Supernova Elektron Anti-Neutrinos und Muon and Tau (Anti-)Neutrinos bestimmt über den inversen Betazerfall und die elastische v-p Streuung zusammen mit den gemessenen Quenching Parametern. Die ermittelte Sensitivität auf die mittlere Energie der Elektron Anti-Neutrinos ist E = 15.47^(+1.54)_(-2.43) MeV und der Muon und Tau (Anti-)Neutrinos ist E = 17.81^(+3.49)_(-3.09) MeV.

O objetivo desta dissertação foi estudar os sinais que neutrinos provenientes de supernovas galáticas poderão produzir em detectores futuros, através de simulações de eventos observados na Terra por um detector Cherenkov pela reação de decaimento beta inverso. Por ser um local único em que neutrinos se encontram em condições de equilíbrio térmico, a física de neutrinos de supernova pode ser fonte de novo conhecimento na física de partículas elementares. Iniciamos o trabalho apresentando os aspectos mais importantes da física de neutrinos tal como é conhecida hoje, seguido de um estudo do papel do neutrino na explosão de uma supernova do tipo II e a influência das oscilações em futuras observações. As simulações foram feitas primeiramente considerando uma supernova de potencial estático, com a determinação de limites nos principais parâmetros que descrevem sua dinâmica. Utilizamos os casos de hierarquia normal e inversa e ângulos de mistura nos limites totalmente adiabático e não-adiabático. Posteriormente consideramos uma supernova de potencial dinâmico, a partir da qual estudamos o comportamento das probabilidades de transição e o perfil do espectro detectado nos mesmos casos anteriores. Com este potencial também foi possível observar o comportamento temporal do espectro e como este pode ser modificado com a hierarquia e ângulo de mistura. Mostramos que em uma futura detecção, o número de eventos e conseqüentemente sua variação com parâmetros de supernova não terão interferência considerável do efeito de onda de choque. Contudo, este pode causar distorções no espectro energético e temporal que poderão ter papel importante na determinação da hierarquia de massa e maior delimitação do ângulo de mistura. / The goal of this dissertation is to study the signals that supernova neutrinos could produce in future detectors, through simulations of events observed on Earth by a Cherenkov detector and inverse beta decay reaction. Since a supernova has been the only situation in which neutrinos are able to reach thermal equilibrium, the physics of supernova neutrinos can be source of a new knowledge in physics of elementary particles. We begin this work presenting the most important aspects of neutrino physics as known today, and then studying the role of neutrino in a type II supernova explosion and the oscillation influence in future observations. The simulations were initially performed considering a static potential, defining limits for the main parameters that describe its dynamics. We considered the cases of normal and inverse mass hierarchy and mixing angles within fully adiabatic and non-adiabatic limits. Later we used a supernova dynamic potential to study behavior of transitions probabilities and the profile of the spectrum detected in these previous cases. From this potential we also observed the temporal behavior of the spectrum and how it can be modified with the hierarchy and the mixing angle. We show that, in a future detection, the number of events and hence their variations with supernova parameters, will not suffer interference of the shock wave effect. However, this effect can cause distortions in the energy and time spectrum that could have an important role in determining the mass hierarchy and better constraints for the mixing angle.

O objetivo desta dissertação foi estudar os sinais que neutrinos provenientes de supernovas galáticas poderão produzir em detectores futuros, através de simulações de eventos observados na Terra por um detector Cherenkov pela reação de decaimento beta inverso. Por ser um local único em que neutrinos se encontram em condições de equilíbrio térmico, a física de neutrinos de supernova pode ser fonte de novo conhecimento na física de partículas elementares. Iniciamos o trabalho apresentando os aspectos mais importantes da física de neutrinos tal como é conhecida hoje, seguido de um estudo do papel do neutrino na explosão de uma supernova do tipo II e a influência das oscilações em futuras observações. As simulações foram feitas primeiramente considerando uma supernova de potencial estático, com a determinação de limites nos principais parâmetros que descrevem sua dinâmica. Utilizamos os casos de hierarquia normal e inversa e ângulos de mistura nos limites totalmente adiabático e não-adiabático. Posteriormente consideramos uma supernova de potencial dinâmico, a partir da qual estudamos o comportamento das probabilidades de transição e o perfil do espectro detectado nos mesmos casos anteriores. Com este potencial também foi possível observar o comportamento temporal do espectro e como este pode ser modificado com a hierarquia e ângulo de mistura. Mostramos que em uma futura detecção, o número de eventos e conseqüentemente sua variação com parâmetros de supernova não terão interferência considerável do efeito de onda de choque. Contudo, este pode causar distorções no espectro energético e temporal que poderão ter papel importante na determinação da hierarquia de massa e maior delimitação do ângulo de mistura. / The goal of this dissertation is to study the signals that supernova neutrinos could produce in future detectors, through simulations of events observed on Earth by a Cherenkov detector and inverse beta decay reaction. Since a supernova has been the only situation in which neutrinos are able to reach thermal equilibrium, the physics of supernova neutrinos can be source of a new knowledge in physics of elementary particles. We begin this work presenting the most important aspects of neutrino physics as known today, and then studying the role of neutrino in a type II supernova explosion and the oscillation influence in future observations. The simulations were initially performed considering a static potential, defining limits for the main parameters that describe its dynamics. We considered the cases of normal and inverse mass hierarchy and mixing angles within fully adiabatic and non-adiabatic limits. Later we used a supernova dynamic potential to study behavior of transitions probabilities and the profile of the spectrum detected in these previous cases. From this potential we also observed the temporal behavior of the spectrum and how it can be modified with the hierarchy and the mixing angle. We show that, in a future detection, the number of events and hence their variations with supernova parameters, will not suffer interference of the shock wave effect. However, this effect can cause distortions in the energy and time spectrum that could have an important role in determining the mass hierarchy and better constraints for the mixing angle.

Orientadores: Ernesto Kemp , Orlando Luis Goulart Peres / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-15T13:43:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Miguez_BrunoSilvaRodriguez_M.pdf: 1981431 bytes, checksum: b136bcf1df6dec73fc94b57c7d498cf0 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: É predita a existência de um fluxo de neutrino difusos, gerado pela integração no tempo de todas as supernovas que ocorreram ao longo da evolução do universo e ponderado pelas taxas de formação estelar e de ocorrência de supernovas. As características espectrais destes neutrinos se diferenciam de neutrinos de supernovas recentes principalmente por dois motivos: a redução de seus fluxos e o desvio para energias menores causado pela expansão do universo. Logo, mesmo que o efeito gerado por uma supernova seja um pulso temporal de eventos, seu efeito acumulado gera um fluxo estacionário de neutrinos difusos em todo o universo. Estes neutrinos nunca foram observados antes. Apenas limites superiores para seu fluxo foi reportados pelas colaborações associadas a telescópios de neutrinos. Recentemente a Colaboração SNO fez uma análise dependente do modelo de supernova que estabeleceu experimentalmente 9.3x 101 vecm-2s-1 como o limite superior para o fluxo total de neutrinos eletrônicos difusos. Esta análise reduziu em cerca de 2 ordens de grandeza o limite experimental anterior estabelecido pela Colaboração LSD. Atualmente, os limites mais restritivos para o fluxo difuso de neutrinos não eletrônicos é de » 10 3 vcm-2s-1 e foram estabelecidos por estudos fenomenológicos, uma análise de dados feitas por cientistas externos a colaboração, de dados do Superkamiokande. No entanto, os melhores limites experimentais ainda são os da Colaboração LSD » 107 vcm-2s-l. Neste trabalho, extendemos a análise do SNO incluindo espalhamento elástico em elétrons via interações de corrente neutra para extrair informações do fluxo difuso de neutrinos não eletrônicos (vm , vt). Também foram feitas comparações como os outros limites atualmente aceitos / Abstract: There is a prediction of a diffuse neutrino flux yield from the lime integration of all supernova a1ready exploded in the past governed by stellar fomation and supemovae occurrence rates. The spectral characteristics of these neutrinos differ from those from recent supernovae mainly in two features: the reduction in their fluxes and their energy "red-shift" due the expansion of lhe universe. Thus, despite the fact that one single supernova is a transient state, their cumulative effect produces a steady flux of diffuse neutrinos everywhere in universe. These neutnnos have never been observed before. Only upper limits on their fluxes have been reported by lhe collaborations operating neutrino telescopes. Recently lhe SNO experiment have made an analysis where the total flux of diftuse electron neutrinos has an upper limit of 9.3 x 101 vecm-2s-1, depending on a specific supernova model. This analysis reduced by a factor 100 the anterior best limit, estabilished by LSD Collaborotion. At the present, the best limit for lhe diffuse flux of non-electron neutrinos is » 10³vcm-² s-¹, resulted from an fenomenological analysis of lhe Super-Kamiokande data. However, the best experimental limits are » 107 vcm-²s-¹, estabilished by LSD Collaboration. In this work we have extended lhe SNO analysis including lhe elastic scattering on electrons via neutral current interactions to extract intormation on diftuse flux of lhe non-electron neutrino flavours (i.e. muon and tauon neutrinos). We make a comparison among our results and others currently accepted. / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

[pt] A oportunidade ímpar da construção do primeiro laboratório subterrâneo no Hemisfério Sul precisa ser alicerçada com importantes objetivos científicos, de maneira a competir com os demais laboratórios já existentes ao redor do planeta. Assim, no intuito de auxiliar na solidificação desta ideia, esta tese tem o propósito de verificar o potencial de um detector de neutrinos no futuro laboratório de ANDES para a observação de neutrinos vindos da próxima Supernova Galáctica. A observação de tais partículas é de fundamental importância para a compreensão do mecanismo de explosão de estrelas e para inferir ou desvendar propriedades dos neutrinos. Para tal, simulamos o número de eventos para o decaimento Beta inverso e para o espalhamento elástico v - p que seriam obtidos com a próxima supernova com o detector de ANDES considerando diferentes tipos de cintiladores líquidos, levando em conta o efeito MSW. Mostramos que através do espalhamento elástico v - p é possível reconstruir o fluxo total de todos os sabores de neutrinos, energia média e total liberados por neutrinos não-eletrônicos. Além disso, a comparação da razão dos números de eventos que vem de corrente carregada (depende da oscilação) e de corrente neutra (independente de oscilação), nos permite inferir a hierarquia de massa para alguns casos. Adicionalmente, estudamos a contribuição do laboratório de ANDES para a observação do efeito de matéria da Terra ao compararmos dados com outros detectores do Hemisfério Norte. Finalmente, investigamos a precisão angular para determinar a direção de uma supernova apenas usando o registro de neutrinos, que pode ser o caso de Supernovas que formam buracos negros ou sofram efeito de obscurecimento devido a poeira interestelar. / [en] The unique opportunity of construction of the first underground laboratory in the Southern Hemisphere must be grounded with important scientific goals in order to compete with others already existing laboratories around the word. In order to compete with idea as much as possible, this PhD Thesis aims to investigate the potential of a future neutrino detector at the ANDES laboratory to the observation of such particles is of fundamental importance to understanding the mechanism and starbust inferred or unravel properties of neutrinos as mass hierarchy, for example. To this end, we simulate the number of events for inverse beta decay and the elastic scattering of v - p that would be obtained with nearby supernova at the ANDES detector taking into account different types of liquid scintillator ande the phenomenon of MSW effect. We show that through the v - p elastic scattering is possible to reconstruct the total flux of all flavors of neutrinos, total and average energy released by non-electron neutrinos. furthermore, comparison of the ratio of observed and theoretical prediction, the number of the ANDES laboratory to the Northern Hemisphere. Finally, we investigate the angular precision for determining the direction of the supernova only using its neutrinos, which can be the situation when either supernovae collapses forming black holes or obscuration due to interstellar dust.

[pt] Nesta tese estudamos o potencial que terão a próxima geração de detectores de neutrinos (JUNO, Hyper-Kamiokande e DUNE) para a detecção dos efeitos da matéria da Terra através da identificação das modulações no espectro de energia dos neutrinos de supernovas de colapso de núcleo em nossa galáxia, assumindo a possibilidade do decaimiento invisível de v2 após os neutrinos terem deixado a estrela, caminho da Terra. Simulações recentes do colapso gravitacional (e subsequente explosão) de estrelas com massa maior do que ~ 8Mo mostram que durante a fase de esfriamento as energias médias (Eve) e (Evx) tornam-se muito semelhantes e os fluxos tendem a se igualar, tornando difícil observar os efeitos da matéria da Terra usando um único detector. Neste trabalho mostramos que a inclusão do decaimiento dos neutrinos também cria a possibilidade de observar os efeitos em consideração no canal de detecção de neutrinos se o ordenamento de massa for normal e no canal anti-neutrino se o ordenamento for invertido, o que não é esperado na ausência de decaimento. Em particular, se a taxa de decaimento for maior do que ~ 70%, descobrimos que o decaimento invisível de v2 pode aumentar as possibilidades de observação dos efeitos da matéria da Terra, mesmo para supernovas a uma distância de 10 kpc de nós. / [en] In this thesis we studied the potential that the next-generation neutrino detectors (JUNO, Hyper-Kamiokande and DUNE) will have to the detection of the Earth matter effects through the identification of the modulations in the energy spectrum of neutrinos from core-collapse supernovae in our galaxy, assuming the possibility of the invisible decay of v2 after the neutrinos have left the star, on their way to Earth. Recent simulations of gravitational collapse (and subsequent explosion) of stars more massive than ~ 8Mo show that during the cooling phase the average energies (EVe) and (Evx) become very similar and the fluxes tend to equalize, making it difficult to observe the Earth matter effects using a single detector. In this work we show that the inclusion of neutrino decay creates also the possibility of observing the effects under consideration in the neutrino detection channel if the mass ordering is normal and in the anti-neutrino channel if the ordering is inverted, which is not expected in the absence of neutrino decay. In particular, if the decay rate is more than ~ 70%, we find that the invisible neutrino decay of v2 can enhance the observation possibilities of Earth matter effects even for supernovae at a distance of 10 kpc from us.