[論文レビュー] The effective electron mass in core-collapse supernovae

S J Hardy|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、核崩壊型超新星の高温・高密度プラズマにおける有効電子質量を有限温度場理論を用いて計算し、中心部に近づくにつれて1 MeVから11 MeVに増加することを明らかにした。この質量シフトにより、陽電子関連の放射率および吸収率が最大20%低下し、反ニュートリノの光学アクシスが反ニュートリノ + 陽子 → 陽電子 + 中性子反応によって顕著に影響を受ける。

ABSTRACT

Finite temperature field theory is used to calculate the correction to the mass of the electron in plasma with finite temperature and arbitrary chemical potential, and the results are applied to the core regions of type II supernovae (SNe). It is shown that the effective electron mass varies between 1 MeV at the edge of the SN core up to 11 MeV near the center. This changed electron mass affects the rates of the electroweak processes which involve electrons and positrons. Due to the high electron chemical potential, the total emissivities and absorptivities of interactions involving electrons are only reduced a fraction of a percent. However, for interactions involving positrons, the emissivities and absorptivities are reduced by up to 20 percent. This is of particular significance for the reaction antineutrino + proton positron + neutron which is a source of opacity for antineutrinos in the cores of type II SNe.

研究の動機と目的

• タイプII超新星コアの高温・高密度プラズマにおける有効電子質量を特定すること。
• 電子質量の修正がエネルギー輸送およびニュートリノ輸送に不可欠な電弱相互作用レートに与える影響を評価すること。
• 電子および陽電子関与プロセスの放射率および吸収率に及ぼす電子質量シフトの影響を評価すること。
• 特に反ニュートリノの光学アクシスに与える影響を調査すること、特に反ニュートリノ + 陽子 → 陽電子 + 中性子反応を対象とする。
• これらの効果がコア内での温度および電子化学ポテンシャルの変動にどの程度感度を示すかを定量すること。

提案手法

• 有限温度および任意の化学ポテンシャルを有するプラズマにおける電子伝播関数の自己エネルギー補正を計算するため、有限温度場理論を適用する。
• 高温・高密度媒質における電子自己エネルギーのDyson-Schwinger方程式を解き、熱的および化学ポテンシャル効果を組み込む。
• 周囲のプラズマとの相互作用を考慮した、ドレスド電子伝播関数の極の実部として有効電子質量を導出する。
• 計算された有効質量を用いて、電子および陽電子を含む電弱過程の修正された反応率を計算する。
• 主要な反応について、自由粒子の場合と比較して得られた放射率および吸収率を評価する。
• 陽電子生成を伴う反ニュートリノ吸収過程に注目し、有効質量シフトによる光学アクシスの低下を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限温度および高い化学ポテンシャルの影響により、タイプII超新星コア内部で有効電子質量はどのように変化するか？
• RQ2 電子質量補正が、電子に起因する電弱過程の放射率および吸収率にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 同様の補正が、特に反ニュートリノの光学アクシスの文脈において、陽電子関与プロセスに与える影響は何か？
• RQ4 有効電子質量が、超新星コア内での反応 反ニュートリノ + 陽子 → 陽電子 + 中性子 に及ぼす定量的影響は何か？
• RQ5 これらの効果は、コア内での温度および電子化学ポテンシャルの変動にどの程度感度を示すか？

主な発見

• 強い熱的および化学ポテンシャル効果により、超新星コアの縁では約1 MeVである有効電子質量が、中心部に近づくにつれて最大11 MeVに増加する。
• 有効質量シフトによる電子関連の放射率および吸収率の低下は1%未満であり、電子プロセスに与える影響は最小限である。
• 陽電子関連の放射率および吸収率は、有効質量補正により最大20%低下し、陽電子生成および吸収率に顕著な影響を与える。
• コア内における反ニュートリノの光学アクシスの主要因である反応 反ニュートリノ + 陽子 → 陽電子 + 中性子 は、有効質量効果により断面積が顕著に減少する。
• 有効質量補正により、陽電子生成が顕著に抑制され、タイプII超新星の内核におけるエネルギーおよび光学アクシスのバランスが変化する。
• 本結果は、コア崩壊超新星の正確なモデル化のためには、電子自己エネルギー補正をニュートリノ輸送計算に組み込む必要があることを示している。