[論文レビュー] Supernova Neutrinos: Production, Oscillations and Detection

Alessandro Mirizzi, Irene Tamborra+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 453被引用数 355

ひとこと要約

本稿は、超新星ニュートリノの生成、振動、検出をレビューし、コアコラプスの物理およびニュートリノ性質のプローブとしての役割に焦点を当てる。今後の銀河系内超新星が、物質効果、自己誘発振動、衝撃波の痕跡を通じて、フレーバー依存のダイナミクスを明らかにする高統計的ニュートリノ信号をもたらす可能性を強調するとともに、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の検出可能性についても評価する。

ABSTRACT

Neutrinos play a crucial role in the collapse and explosion of massive stars, governing the infall dynamics of the stellar core, triggering and fueling the explosion and driving the cooling and deleptonization of the newly formed neutron star. Due to their role neutrinos carry information from the heart of the explosion and, due to their weakly interacting nature, offer the only direct probe of the dynamics and thermodynamics at the center of a supernova. In this paper, we review the present status of modelling the neutrino physics and signal formation in collapsing and exploding stars. We assess the capability of current and planned large underground neutrino detectors to yield faithful information of the time and flavor dependent neutrino signal from a future Galactic supernova. We show how the observable neutrino burst would provide a benchmark for fundamental supernova physics with unprecedented richness of detail. Exploiting the treasure of the measured neutrino events requires a careful discrimination of source-generated properties from signal features that originate on the way to the detector. As for the latter, we discuss self-induced flavor conversions associated with neutrino-neutrino interactions that occur in the deepest stellar regions; matter effects that modify the pattern of flavor conversions in the dynamical stellar envelope; neutrino-oscillation signatures that result from structural features associated with the shock-wave propagation as well as turbulent mass motions in post-shock layers. Finally, we highlight our current understanding of the formation of the diffuse supernova neutrino background and we analyse the perspectives for a detection of this relic signal that integrates the contributions from all past core-collapse supernovae in the Universe.

研究の動機と目的

• コアコラプス超新星におけるニュートリノ放射およびフレーバー進化の現在のモデル化状況をレビューすること。
• 現在および将来の大型地下検出器が、銀河系内超新星のニュートリノバースから詳細な情報を抽出できる能力を評価すること。
• 伝播効果（物質誘発振動や自己誘発的フレーバー変換など）から、源由来のニュートリノ特徴を分離すること。
• 超新星ニュートリノがニュートリノ質量階層および標準模型以外の物理をプローブする可能性を評価すること。
• すべての過去のコアコラプス超新星からの宇宙論的信号としての拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の検出可能性を分析すること。

提案手法

• 多次元流体力学的シミュレーションおよびニュートリノ輸送コードを用いて、コアコラプス超新星からのニュートリノ放射をモデル化する。
• 自己誘発振動を高密度ニュートリノ環境で研究するために、ニュートリノライト・ブルブモデルおよび非線形フレーバー進化方程式を適用する。
• 物質効果をミンケイエフ＝スミルノフ＝ウルフスタイン（MSW）機構を用いて組み込み、星の包層内でのフレーバー変換の痕跡を評価する。
• イベント率およびエネルギースケーリングの計算を用いて、水チェレンコフ、液体シンチレーター、LAr TPCなどのさまざまな実験設定におけるニュートリノ検出をシミュレートする。
• 超新星シミュレーション出力とSN 1987Aのデータを用いてDSNBのフラックスを予測し、スーパーカミオカンデの観測上限と比較する。
• ニュートリノフィードバックを含む流体力学的シミュレーションを通じて、乱流および衝撃波ダイナミクスがニュートリノ振動痕跡に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度ニュートリノ媒体における自己誘発的フレーバー振動が、銀河系内超新星からの観測可能なニュートリノ信号にどのように影響するか？
• RQ2 時間的・フレーバー依存のニュートリノバースから、ニュートリノ質量階層の痕跡をどのように抽出できるか？
• RQ3 衝撃波の伝播および後方乱流（SASI）が、ニュートリノエネルギースケーリングにどのように検出可能な特徴をもたらすか？
• RQ4 現在および次世代の検出器を用いた場合、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の検出可能性はどの程度か？
• RQ5 超新星マントル内でのニュートリノ振動が、通常および逆転ニュートリノ質量階層をどの程度区別できるか？

主な発見

• 超新星の高密度コアにおける自己誘発的フレーバー振動は、集団的・非線形的ニュートリノフレーバー変換を引き起こし、最終的なニュートリノエネルギースケーリングに顕著な影響を与える。
• ニュートリノ質量階層は、超新星マントル内での物質誘発フレーバー変換を通じて、時間的・フレーバー分解されたニュートリノバースに明確な痕跡を残す。
• 衝撃波の伝播およびSASI（定常降着衝撃不安定性）は、ニュートリノエネルギースケーリングを変調し、爆発ダイナミクスのリアルタイムプローブを提供する。
• 拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）は、確実な信号であり、現在および次世代の検出器（例：Super-K-Gd、JUNO）が到達可能なフラックスであると予測される。
• DSNBフラックスは、現在のスーパーカミオカンデの上限の約2倍の範囲内にあると推定されており、今世紀内に検出が予想される。
• SN 1987Aのニュートリノバースは統計的に低かったが、右手系ニュートリノやaxionなどの非標準的冷却機構を含む、奇妙なニュートリノ性質に対する強い制約をすでに提供している。