[論文レビュー] Self-induced spectral splits with multi-azimuthal-angle effects for different supernova neutrino fluxes

Alessandro Mirizzi|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、超新星ニュートリノのフラバー進化における多方位角角（MAA）不安定性を調査し、特にスペクトルクロスイングパターン（単一クロスイング対複数クロスイング）が、二様または多真上角（MZA）不安定性に加えて新たなスペクトル分裂を引き起こすかどうかを決定することを示している。正常質量順序でu_eの過剰が強い場合、MAAは逆質量順序の二様不安定性に類似したスペクトルスワップを引き起こす。中程度のフラバー順序では、MZAの遅延効果がMAAの成長を抑制し、二様/MZA駆動の分裂以外は残らない。

ABSTRACT

It has been recently discovered that removing the axial symmetry in the multi-angle associated with the neutrino-neutrino interactions for supernova (SN) neutrinos, a new multi-azimuthal-angle (MAA) instability would trigger flavor conversions in addition to the ones caused by the bimodal and multi-zenith-angle (MZA) instabilities. We investigate the dependence of the MAA instability on the original SN neutrino fluxes, performing a stability analysis of the linearized neutrino equations of motion. We compare these results with the numerical evolution of the SN neutrino non-linear equations, looking at a local solution along a specific line of sight, under the assumption that the transverse variations of the global solution are small. We also assume that self-induced conversions are not suppressed by large matter effects. We show that the pattern of the spectral crossings (energies where F_{ u_e} = F_{ u_x}, and F_{\bar u_e} = F_{\bar u_x}) is crucial in determining the impact of MAA effects on the flavor evolution. For neutrino spectra with a strong excess of u_e over \bar u_e, presenting only a single-crossing, MAA instabilities would trigger new flavor conversions in normal mass hierarchy. In our simplified flavor evolution scheme, these would lead to spectral swaps and splits analogous to what produced in inverted hierarchy by the bimodal instability. Conversely, in the presence of spectra with a moderate flavor hierarchy, having multiple crossing energies, MZA effects would produce a sizable delay in the onset of the flavor conversions, inhibiting the growth of the MAA instability. In this case the splitting features for the oscillated spectra in both the mass hierarchies are the ones induced by the only bimodal and MZA effects.

研究の動機と目的

• 多方位角角（MAA）不安定性が既知の二様および多真上角（MZA）効果を超えて、超新星ニュートリノのフラバー進化に与える影響を理解すること。
• 初期ニュートリノフラックス、特にスペクトルクロスイング構造（F_u_e = F_u_x および F_u_e_bar = F_u_x_bar）に依存するMAA不安定性の依存関係を検討すること。
• 局所的で横方向の変化を近似した条件下での線形安定性解析と非線形数値的進化の比較を行うこと。
• 物質効果によって自己駆動型フラバー変換がMAA領域で抑制されるかどうかを評価すること（ただし、それらが抑制されないと仮定）。

提案手法

• ニュートリノ運動方程式の線形化安定性解析を実施し、MAA不安定性の成長率を特定する。
• 解析的結果を、特定の視線方向に沿った非線形方程式の数値的進化と比較する。この際、グローバル解における小さな横方向変化を仮定する。
• スペクトルクロスイングパターンを変化させたニュートリノフラックスをモデル化する：単一クロスイング（強いu_e過剰）対複数クロスイング（中程度のフラバー順序）。
• 物質効果による自己駆動型変換の抑制は無視可能であると仮定し、真空中のダイナミクスに焦点を当てる。
• 異なる質量順序（正常対逆）におけるフラバー進化の結果、特にスペクトルスワップと分裂を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ニュートリノフラックスにおけるスペクトルクロスイングの数と位置が、MAA不安定性の発生と成長にどのように影響するか？
• RQ2 どのような条件下でMAA不安定性が、二様およびMZA不安定性によって駆動されるものとは異なる新たなフラバー変換を引き起こすか？
• RQ3 複数のクロスイングエネルギーを持つ中程度のフラバー順序では、MAA駆動のスペクトル分裂のタイミングと振幅にどのように影響するか？
• RQ4 現実的なフラックス構成において、MZA効果がMAA不安定性の成長をどれほど遅延または抑制するか？

主な発見

• 強いu_e過剰と単一スペクトルクロスイングを有するニュートリノスペクトルでは、MAA不安定性が正常質量順序で新たなフラバー変換を引き起こし、逆質量順序の二様不安定性によって観測されるのと類似したスペクトルスワップと分裂を生じる。
• 中程度のフラバー順序と複数のクロスイングエネルギーを有するスペクトルでは、MZA効果がフラバー変換の発生を顕著に遅延させ、結果としてMAA不安定性の成長が抑制される。
• MZAの遅延によってMAA成長が抑制される場合、両方の質量順序において得られるスペクトル特徴は、二様およびMZA効果によってのみ支配され、追加のMAA駆動分裂は生じない。
• スペクトルクロスイングのパターンが、MAA効果が標準的不安定性を超えて観測可能なフラバー進化の特徴を生じるかどうかを決定づける要因である。