[論文レビュー] Nonlinear evolution of fast neutrino flavor conversion in the preshock region of core-collapse supernovae

Masamichi Zaizen, Taiki Morinaga|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 57被引用数 44

ひとこと要約

本研究は、核崩壊超新星のプレショック領域における非線形な速いニュートリノフレーバー変換を、現実的なニュートリノ角度分布を有する3フレーバー模型を用いて調査する。非線形なキャスケードが発生し、線形理論が抑制を予測する高密度環境でも、 coherent 散乱およびミューオン生成によって引き起こされるニュートリノフレーバーレプトン数（NFLN）分布における微小な交差が、速いフレーバー変換を引き起こすことを示している。

ABSTRACT

In environments with high dense neutrino gases, such as in core-collapse supernovae, the neutrinos can experience collective neutrino oscillation due to their self-interactions. In particular, fast flavor conversion driven by the crossings in the neutrino angular distribution can affect explosion mechanism, nucleosynthesis, and neutrino observation. We perform the numerical computation of nonlinear flavor evolution on the neutrino angular distribution with tiny crossings expected to be generated in the preshock region. We demonstrate that the fast instability is triggered and a cascade develops under a realistic three-flavor model considering muon production and weak magnetism in the SN dynamics. The tiny crossing excites specific spatial modes, and then the flavor instability propagates into other modes which otherwise remain stable due to the nonlinear effects. Our results indicate that fast flavor conversion can rise in the preshock region and have a sufficient impact on the flavor contents.

研究の動機と目的

• 高密度物質環境にあっても、核崩壊超新星のプレショック領域で速いニュートリノフレーバー変換が発生するかどうかを調査すること。
• 微小なNFLN交差からの不安定性を拡大する非線形効果の役割を検討すること。
• ミューオンおよびタウオン寄与を含む3フレーバー力学がフレーバー進化に与える影響を評価すること。
• 従来安定と見なされていた領域で、速いフレーバー変換がニュートリノフレーバー内容を顕著に変化させるかどうかを特定すること。

提案手法

• ラジアル方向に沿った空間モード K に沿って極化ベクトルを分解し、フーリエ空間におけるニュートリノ運動方程式の数値的解法。
• 単色エネルギースペクトルと通常質量順序を用いた3フレーバーフレームワークの使用。
• 密度行列の運動方程式を介して真空中、物質中、自己相互作用のハミルトニアンを統合。
• nK = 300 までの K モードを用いたデアリーシング手法の適用と、初期摂動のオーダー 10−12。
• 現実的なSN動力学をモデル化するため、ミューオンおよびタウオンレプトン数寄与の組み込み。
• 初期成長条件を特定するための線形安定性解析の後、キャスケード発展を研究する非線形進化の実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な3フレーバー力学下で、プレショック領域における微小なNFLN交差が速いフレーバー変換を引き起こすことができるか？
• RQ2 非線形効果は、線形解析では安定とされるモードに不安定性をどのように伝播させるか？
• RQ3 ミューオンおよびタウオン生成は、フレーバー不安定性の状況をどのように変化させるか？
• RQ4 真空中の項を含めると、純粋な自己相互作用の場合と比較して成長ダイナミクスがどのように変化するか？
• RQ5 非線形キャスケードは、プレショック領域で顕著なフレーバー内容変化を引き起こすことができるか？

主な発見

• 線形理論が抑制を予測する高密度環境下でも、プレショック領域における微小なNFLN交差が速いフレーバー変換を引き起こす。
• 非線形効果によりフーリエ空間にキャスケードが発生し、線形解析では安定とされるモードに対しても不安定性が成長する。
• e−τ セクターに最初に顕著な不安定性成長が見られ、その後 e−µ および µ−τ セクターへの結合が生じる。
• 真空中項を含めると、すべてのフレーバーセクターに広がった不安定性成長が生じるが、真空中項を除いた場合とは異なり、e−τ の独占的支配が見られない。
• SN 動力学におけるミューオン生成および弱い磁気モーメントの存在が、微小な初期交差から非線形キャスケードを発展可能にする。
• 結果は、速いフレーバー変換がプレショック領域におけるニュートリノフレーバー内容を顕著に変化させ得ることを示しており、爆発メカニズムおよび核合成に影響を及ぼす可能性がある。