[論文レビュー] Role of medium modifications for neutrino-pair processes from nucleon-nucleon bremsstrahlung - Impact on the protoneutron star deleptonization

Tobias Fischer|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 78被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、Fermi液体理論を用いて媒体中でのπ中間子交換効果を組み込んだ手法により、中性子星の前身星における中性子-陽子ブレムストラールングを介した中性子微子対放出を検討している。自由π中間子交換（FOPE）近似と比較して、中性子微子対放出率が顕著に抑制されることを示しており、特にνµ/τおよび¯νeの微粒子がより高い密度での中性子微粒子層にシフトすることで、微粒子のフラックスと平均エネルギーが増加する。このことは、中性子微粒子駆動風における核合成に影響を与える。

ABSTRACT

In this article the neutrino-pair production from nucleon-nucleon (NN) bremsstrahlung is explored via medium-modifications of the strong interactions at the level of the one-pion exchange approximation. It governs the bulk part of the NN interaction at low densities relevant for the neutrino physics in core-collapse supernova studies. The resulting medium modified one-pion exchange rate for the neutrino-pair processes is implemented in simulations of core collapse supernovae in order to study the impact on the neutrino signal emitted from the deleptonization of the nascent proto-neutron star. Consequences for the nucleosynthesis of heavy elements of the material ejected from the PNS surface are discussed.

研究の動機と目的

• 中性子星の前身星における中性子-陽子ブレムストラールングから生じる中性子微粒子対過程に及ぼす媒体修正の影響を評価すること。
• Fermi液体理論に基づく媒体修正π中間子交換（OPE）アプローチを自由π中間子交換（FOPE）近似に代えて用いることで、中性子微粒子輸送モデルを改善すること。
• これらの修正が中性子星の脱電子化時間スケールおよび中性子微粒子スペクトルに与える影響を評価すること。
• 中性子微粒子駆動風における核合成に与える影響、特に中性子過剰および重元素の生成を検討すること。
• これらの過程が、核崩壊超新星の早期ポストバウンス降着段階および衝撃波の再活性化条件に果たす可能性のある役割を探索すること。

提案手法

• Migdal（1978）のFermi液体理論を適用し、粒子-空孔および残余s波π中間子-中性子-陽子相互作用を通じて、πNN頂点の媒体中での修飾を含める。
• 媒体中π中間子自己エネルギー効果を組み込み、p波極化およびρ中間子交換寄与によるπ中間子分散関係の軟化を含む。
• パウリの禁制および媒体誘発頂点補正を考慮した、中性子-陽子ブレムストラールングからの媒体修正π中間子交換（MVOPE）による中性子微粒子対放出率を導出する。
• AGILE-BOLTZTRANコア崩壊超新星コードのボルツマン中性子微粒子輸送モジュールにMVOPE率を組み込む。
• 中性子星の脱電子化を模擬し、MVOPEとFOPEを比較する。主に中性子微粒子の全放射度、スペクトル、および中性子微粒子層の位置に注目する。
• 中性子微粒子駆動風における中性子過剰（Ye）およびエントロピーの変化を分析し、核合成への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 π中間子交換相互作用の媒体修正が、中性子-陽子ブレムストラールングからの中性子微粒子対放出率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 媒体修正された中性子微粒子対放出率が、中性子星の脱電子化時間スケールおよび中性子微粒子スペクトルに与える影響は何か？
• RQ3 修正された率が、異なる中性子微粒子フレーバー（νe、¯νe、νµ/τ）のニュートリノ層の位置および性質にどのように変化をもたらすか？
• RQ4 これらの変化が、中性子微粒子駆動風における中性子過剰および核合成に及ぼす影響は何か？
• RQ5 これらの媒体効果が、核崩壊超新星におけるスターブト衝撃波の再活性化にどの程度影響を与える可能性があるか？

主な発見

• 媒体修正π中間子交換（MVOPE）率は、自由π中間子交換（FOPE）近似と比較して、中性子-陽子ブレムストラールングからの中性子微粒子対放出を抑制することが判明した。これは、有効場理論に基づくChiral EFTの結果とも定量的に一致する。
• この抑制効果は、すでに密度ρ ≃ 10^11–10^12 g cm⁻³程度で顕著になり、密度が上昇するにつれて強化される。
• 中性子微粒子対放出が減少することで、¯νeおよびνµ/τのニュートリノ層がより高い密度にシフトし、結果として中性子微粒子フラックスが増加し、平均エネルギーも上昇する。
• MVOPEモデルでは、νeと¯νeのスペクトル差が拡大し、初期の中性子微粒子駆動風段階でやや高い中性子過剰（Ye ≃ 0.495）が得られる。
• スペクトル差の拡大と中性子過剰側への滞在時間の延長により、モリブデン（Z = 52）以降の重元素の合成可能性がわずかに向上するが、依然として顕著な生成には不適切な条件である。
• これらの結果は、初期ポストバウンス降着段階において、重レプトンフレーバーの中性子微粒子からの冷却損失が媒体効果によって低減される可能性を示唆し、多次元シミュレーションにおける衝撃波の再活性化を支援する可能性がある。