[논문 리뷰] UHE neutrinos encountering decaying and non-decaying magnetic fields of compact stars

Neetu Raj Singh Chundawat, Arindam Mandal외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 13.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 강한 자기장을 지닌 밀도 높은 별을 통과할 때 초고에너지(UHE) 디рак 중성자율의 흐름 감쇠를 조사한다. 중성자율의 자기모멘트에 기인한 스핀-플레어 프리세션을 사용하여, 중성성성성은 $\nu_{\mu}$ 흐름을 약 50% 감소시키며, 이는 무색 상태로의 전환 때문이며, 만약 뮤온이 존재한다면 추가로 약 10% 감소한다. 백색왜성은 더 약한 자기장으로 인해 약 25%의 흐름 감소만을 초래한다.

ABSTRACT

The phenomena of neutrino spin flavour precession in the presence of an extraneous magnetic field is a repercussion of neutrino magnetic moment which is consociated with the physics beyond the standard model of electroweak interactions. Ultra high energy neutrinos are spawned from a number of sources in the universe including the highly energetic astrophysical objects such as active galactic nuclei, blazar or supermassive black holes. When such high energy neutrinos pass through any compact stellar objects like neutron stars or white dwarfs, their flux can significantly reduce due to the exorbitant magnetic field provided by these compact objects. For Dirac neutrinos, such phenomena occur due to the conversion of neutrinos to their sterile counterparts. In this work, we consider a neutron star possessing a spatially varying magnetic field which may or may not decay with time. We find that, for the non-decaying magnetic field, the flux of high energy Dirac neutrinos becomes nearly half after passing through the neutron star. The flux is further enfeebled by $\sim 10\%$ in the presence of muons inside the neutron star. For decaying magnetic field, the flux reduction is abated by $\sim 5\%$ as compared to the temporally static magnetic field. In the case of a white dwarf, the depletion of flux is lesser as compared to the neutron stars.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 별의 자기장이 초고에너지(UHE) 디рак 중성자율 흐름에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 표준모형을 초월한 중성자율 자기모멘트에 기인한 스핀-플레어 프리세션의 영향을 중성성성(NS)과 백색왜성(WD)에서의 흐름 생존에 대해 분석하기 위해.
• 중성성성에서 붕괴하지 않는 자기장과 붕괴하는 자기장 간의 흐름 감쇠를 비교하기 위해.
• 중성자율 천문학에서 다양한 항성 환경에서의 흐름 감소가 관측에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 디랙 중성자율의 자기모멘트를 고려한 효과적 해밀토니안 형식을 사용해 중성자율 스핀-플레어 프리세션을 모델링하기 위해.
• 표준모형에서의 중성자율 자기모멘트 한계($\mu_\nu \sim 3 \times 10^{-19} \mu_B$)를 입력으로 사용하기 위해.
• 중성성성에서 $npe$ 및 $npe\mu$ 물질 조성과 중심 자기장 최대 $10^{18}$ G를 가진 중성자율 전파를 시뮬레이션하기 위해.
• 핵 상태방정식에 대해 GM1 파arametrization를 사용하고 중성자율 밀도 행렬의 시간진화 방정식을 해결하기 위해.
• 중성성성과 백색왜성 내에서의 반경 방향 경로를 따라 생존 확률 $P(\nu_\mu \to \nu_\mu)$를 분석하기 위해.
• 은하계 관측 제약 조건에서 유도된 붕괴 timescale을 고려한 정적 및 시간에 따라 감쇠하는 자기장을 모두 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성성성의 자기장이 스핀-플레어 프리세션을 통해 초고에너지 $\nu_{\mu}$의 흐름을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ2 중성성성 물질에 뮤온이 존재할 경우 초고에너지 $\nu_{\mu}$의 생존 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 붕괴하는 자기장이 정적 자기장과 비교해 중성성성 내 중성자율 흐름 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 더 약한 자기장을 지닌 백색왜성에서의 흐름 감쇠는 중성성성과 비교해 어떠한가?
• RQ5 밀도 높은 별에서 관측된 흐름 감소는 표준모형을 초월한 중성자율 자기모멘트에 대해 검출 가능한 서명을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 중성성성에서 붕괴하지 않는 자기장을 가정할 경우, $\nu_{\mu}$의 생존 확률은 약 0.5로 떨어지며, 이는 50%의 흐름 감소를 의미한다.
• 중성성성 물질에 뮤온을 포함시키면 생존 확률은 0.50에서 0.45로 감소하여 흐름 감소가 약 10% 더 증가한다.
• 중성성성에서 자기장이 붕괴하는 경우, 정적 자기장의 경우보다 생존 확률이 약 5% 증가하여 흐름 감소가 감소한다.
• 일정한 자기장 $8.8 \times 10^{11}$ G를 가진 백색왜성의 경우, $\nu_{\mu}$의 생존 확률은 약 0.75이며, 이는 25%의 흐름 감소에 해당한다.
• 더 약한 자기장을 지닌 백색왜성의 경우 흐름 감소가 중성성성보다 크게 감소한다.
• 초고에너지 범위인 $10^{15}$에서 $10^{19}$ eV 사이에서 결과가 안정적이며, 흐름 감소에 강한 에너지 의존성이 없음을 나타낸다.