[論文レビュー] Pulsar Kicks from Active-Sterile Neutrino Transformation in Supernovae

Chad T. Kishimoto|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2011

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、原始中性子星の磁化・高密度コア内で発生する活性-不活性ニュートリノ振動による不活性ニュートリノ生成に起因する運動量非対称性が、高衝撃速度の中性子星の噴出（パルサーのキック）を引き起こすと提案している。MSWに類似した共鳴的変換を位相空間的手法でモデル化した結果、keVスケールの不活性ニュートリノの非対称な放出が、星の過剰冷却を引き起こさずに1000 km/sを超えるキックを生成可能であり、SN1987Aの観測と整合的であることが示された。

ABSTRACT

Observations of radio pulsars have revealed that they have large velocities which may be greater than 1000 km/s. In this work, the efficacy of an active-sterile neutrino transformation mechanism to provide these large pulsar kicks is investigated. A phase-space based approach is adopted to follow the the transformation of active neutrinos to sterile neutrinos through an MSW-like resonance in the protoneutron star to refine an estimate to the magnitude of the pulsar kick that can be generated in such an event. The result is that this mechanism can create the large pulsar kicks that are observed while not overcooling the star.

研究の動機と目的

• パルサーで観測された大きなパルサーのキックが、原始中性子星における活性-不活性ニュートリノ変換によって生成可能かどうかを調査すること。
• このメカニズムが、SN1987Aの冷却制約に反しない範囲で十分な運動量非対称性を生じるかどうかを特定すること。
• keVスケールの不活性ニュートリノが、同時にダークマター候補としても成立するか、パルサーの運動学的特性を説明できるかを評価すること。
• 磁化物質における共鳴的ニュートリノ変換の位相空間的取り扱いを用いて、パルサーのキックの大きさをより精緻に推定すること。
• 磁場と物質密度プロファイルが、放出される不活性ニュートリノの運動量非対称性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 原始中性子星コア内におけるMSWに類似した共鳴的変換を位相空間的手法でモデル化し、活性ニュートリノが不活性ニュートリノに変換される過程を扱う。
• 共鳴幅と振動波長の比に基づいて、ニュートリノ遷移の断熱性をモデル化し、変換効率を決定する。
• 強磁場（最大で約10^18 G）がニュートリノポテンシャルおよび共鳴運動量に与える影響を組み込み、運動量非対称性を誘導する。
• 非対称な不活性ニュートリノ放出に起因するニュートリノの運動量反動を計算し、これがパルサーのキックを駆動することを示す。
• 密度、温度、磁場プロファイルを用いて、不活性ニュートリノとして放出される全エネルギーと、それに伴うキックの大きさを推定する。
• SN1987Aの制約を適用し、不活性ニュートリノの放出が星の過冷却を引き起こさないよう保証し、観測された活性ニュートリノフラックスと整合性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化された原始中性子星内における活性-不活性ニュートリノ振動が、1000 km/sを超えるパルサーのキックを説明するのに十分な運動量非対称性を生じるか？
• RQ2 SN1987Aの冷却制約に反しない範囲で、不活性ニュートリノ放出によって達成可能な最大のパルサーのキック速度はどの程度か？
• RQ3 原始中性子星内における局所的な密度、温度、磁場強度が、MSW共鳴の断熱性にどのように影響するか？
• RQ4 不活性ニュートリノ放出の非対称性は、どの程度、前方散乱ポテンシャルおよび磁場勾配に起因するか？
• RQ5 このメカニズムは、同時にパルサーのキックを説明するとともに、keVスケールの不活性ニュートリノダークマター候補として成立するか？

主な発見

• 活性-不活性ニュートリノ変換メカニズムは、最大で約1000 km/sのパルサーのキックを生成可能であり、観測された高速パルサーと整合的である。
• 磁化コア内での非対称的共鳴的変換に起因し、放出される不活性ニュートリノの運動量非対称性が数十パーセントに達する。
• 現実的な原始中性子星のパラメータ（密度 ~10^14 g/cm³、温度 ~10-20 MeV、磁場 ~10^16–10^18 G）のもとで、星の過冷却を回避する。
• 不活性ニュートリノとして放出される全エネルギーは、SN1987Aの制約を下回り、観測された活性ニュートリノフラックスと整合的である。
• 共鳴領域からの方向性のある放出が、パルサーのスピン-速度相関を自然に説明できる。
• 位相空間的手法により、高密度・高磁場領域では断熱的遷移が支配的であり、変換効率とキック生成が最大限に高まることを確認した。