[論文レビュー] Neutrino-pair emission in a strong magnetic field

Ene van Dalen, Ael Dieperink+2 more|ArXiv.org|May 11, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、強い磁場を持つ中性子星におけるニュートリノ対の放射を調査し、$10^{16}$–$10^{17}$ Gの磁場と約$10^9$ Kの温度で、修正されたUrca過程よりも優勢となる新しい1体型中性荷電現在のブレムストラール過程を同定している。$npe$-物質のパラメータ化された状態方程式を用いて、この過程の発光度がゼロ磁場条件下での修正Urca過程と同等であることを示しており、磁化された中性子星における主要な冷却チャネルを提供する。

ABSTRACT

We study the neutrino emissivity of strongly magnetized neutron stars due to the charged and neutral current couplings of neutrinos to baryons in strong magnetic fields. The leading order neutral current process is the one-body neutrino-pair bremsstrahlung, which does not have an analogue in the zero field limit. The leading order charged current reaction is the known generalization of the direct Urca processes to strong magnetic fields. While for superstrong magnetic fields in excess of $10^{18}$ G the direct Urca process dominates the one-body bremsstrahlung, we find that for fields on the order $10^{16}-10^{17}$ G and temperatures a few times $10^9$ K the one-body bremsstrahlung is the dominant process. Numerical computation of the resulting emissivity, based on a simple parametrization of the equation of state of the $npe$-matter in a strong magnetic field, shows that the emissivity of this reaction is of the same order of magnitude as that of the modified Urca process in the zero field limit.

研究の動機と目的

• 強い磁場の中性子星におけるニュートリノ発光度メカニズム、特にゼロ磁場条件下では存在しない1体型プロセスに注目すること。
• 磁場 $B > 10^{16}$ G の中性子星の冷却において、1体型中性荷電現在ブレムストラール過程と直接Urca過程の相対的な重要性を評価すること。
• 簡略化された $npe$-物質の状態方程式を用いて、ゼロ磁場状態における標準的な修正Urca過程と比較して、これらの新規プロセスの発光度を評価すること。
• 磁化された中性子星内部で1体型ブレムストラールが支配的発光チャネルとなる条件を特定すること。

提案手法

• 有限温度におけるマツバラグリーン関数を用いて、強い磁場下での中性子および陽子の極化関数を計算する。
• 発光度は、応答関数形式を用いて極化関数の虚部から導出される。
• 強い磁場下での $npe$-物質の状態方程式の簡単なパラメータ化を用いて、バリオンおよびレプトンの分布とそのランダウ準位の量子化をモデル化する。
• 中性荷電現在（ニュートリノ対ブレムストラール）および荷電現在（直接Urca）プロセスの行列要素を、スピンおよびランダウ準位の依存性を含めて計算する。
• スピンと運動量の関係を考慮した行列要素の二乗を、レプトンテンソルと縮約し、微分発光度を導出し、最終状態のニュートリノ運動量について統合する。
• 磁場 $10^{16}$–$10^{18}$ G および $10^9$ K に近い温度範囲で発光度を数値計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1体型中性荷電現在ニュートリノ対ブレムストラールは、強い磁場の中性子星において果たす役割は何か？また、ゼロ磁場プロセスとはどのように異なるか？
• RQ2 1体型ブレムストラールが直接Urca過程を上回る磁場および温度の条件は何か？
• RQ3 1体型ブレムストラールの発光度は、ゼロ磁場限界における修正Urca過程と定量的にどのように比較できるか？
• RQ4 ランダウ準位の量子化とスピン依存性の結合は、強い磁場下でのニュートリノ放出レートにどのように影響するか？
• RQ5 磁化された中性子星物質における全ニュートリノ発光度に、荷電現在および中性荷電現在プロセスがそれぞれどのように寄与するか？

主な発見

• 1体型中性荷電現在プロセス、つまり中性子からのニュートリノ対ブレムストラールは、$B \sim 10^{16}$–$10^{17}$ G および $T \sim 10^9$ K の強い磁場の中性子星において、支配的なニュートリノ放射チャネルであることが判明した。
• このプロセスはゼロ磁場限界に類似物が存在せず、中性子のフェルミ面の磁場誘起分裂およびランダウ準位の量子化に起因する。
• $10^{18}$ Gを超える磁場では直接Urca過程が1体型ブレムストラールを上回るが、$10^{16}$–$10^{17}$ G の範囲ではブレムストラールが主要な発光度メカニズムとなる。
• 1体型ブレムストラールプロセスの発光度は、ゼロ磁場限界における修正Urca過程と同程度のオーダーであることが判明した。
• 強い磁場は運動的制約を緩和し、低プロトン分率でもニュートリノ放射が可能になる。
• 数値結果から、発光度は状態方程式のパラメータ化およびランダウ準位の占有状態に敏感であり、スピン反転遷移および $\sqrt{eB}$ を通じた横方向運動量のスメアリングが顕著な寄与を示していることが確認された。