[論文レビュー] Supernova Relic Electron Neutrinos and anti-Neutrinos in future Large-scale Observatories

C. Volpe, Julien Welzel|ArXiv.org|Nov 20, 2007

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、MEMPHYS、LENA、GLACIERなどの将来の大型観測施設における超新星残響電子ニュートリノ（$\nu_e$）および反ニュートリノ（$\bar{\nu}_e$）の検出可能性を調査している。本研究では、超新星内部におけるニュートリノ磁気モーメントおよび共鳴スピンフラバー反転（RSFP）の効果を初めて包括的に取り入れており、強い磁場および大きな磁気モーメントが、特に正規階層系における$\bar{\nu}_e$に対して、イベントレートを最大2倍まで増幅または抑制することが示された。

ABSTRACT

We investigate the signal from supernova relic neutrinos in future large scale observatories, such as MEMPHYS (UNO, Hyper-K), LENA and GLACIER, at present under study. We discuss that complementary information might be gained from the observation of supernova relic electron anti-neutrinos and neutrinos using the scattering on protons on one hand, and on nuclei such as oxygen, carbon or argon on the other hand. When determining the relic neutrino fluxes we also include, for the first time, the coupling of the neutrino magnetic moment to magnetic fields within the core-collapse supernova. We present numerical results on both the relic electron neutrino and anti-neutrino fluxes and on the number of events for electron neutrinos on carbon, oxygen and argon, as well as electron anti-neutrinos on protons, for various oscillation scenarios. The observation of supernova relic neutrinos might provide us with unique information on core-collapse supernova explosions, on the star formation history and on neutrino properties, that still remain unknown.

研究の動機と目的

• 次世代の大規模観測施設における超新星残響電子ニュートリノ（$\nu_e$）および反ニュートリノ（$\bar{\nu}_e$）の検出可能性を評価すること。
• ニュートリノ磁気モーメントおよび共鳴スピンフラバー反転（RSFP）が残響ニュートリノフラックスおよびイベントレートに与える影響を調査すること。
• さまざまな振動シナリオ下での、水素、炭素12、酸素16、アルゴン40といった異なる標的素材における検出信号を比較すること。
• 恒星の磁場およびニュートリノ質量階層が、MEMPHYS、LENA、GLACIERなどの検出器における観測可能なイベントレートに与える影響を定量化すること。
• 静的超新星密度および磁場プロファイルを仮定したもとで、RSFP効果が残響ニュートリノフラックスに与える影響を初めて数値的に推定すること。

提案手法

• 赤方偏移にわたる核崩壊超新星からのニュートリノスペクトルを数値積分し、超新星発生率と畳み込み、残響フラックスを計算する。
• 物質効果（MSW）および共鳴スピンフラバー反転（RSFP）を、ニュートリノ磁気モーメントと恒星磁場の結合を通じて組み込む。
• べき乗則磁場プロファイル（$n=2$、$n=3$を比較用に）を仮定し、衝撃波ダイナミクスを無視した静的超新星密度プロファイルを採用する。
• 検出器固有の断面積を用いて、$\nu_e + {}^{12}$C、$\nu_e + {}^{16}$O、$\nu_e + {}^{40}$Ar、および$\bar{\nu}_e + p$反応のイベントレートを計算する。
• ニュートリノ球面での標準的ニュートリノフラックスモデルを用い、局所的星形成率 $0.7 \times 10^{-2} h_{70} M_\odot$ 年$^{-1}$ Mpc$^{-3}$ に正規化する。
• 3つの振動シナリオ（正規階層（NH）における大/小$\theta_{13}$、逆階層（IH）における大/小$\theta_{13}$）の間で結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ磁気モーメントおよび共鳴スピンフラバー反転が、超新星残響$\nu_e$および$\bar{\nu}_e$のフラックスおよび検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 MEMPHYS、LENA、GLACIERなどの将来の観測施設における、$\nu_e$および$\bar{\nu}_e$が水素、炭素、酸素、アルゴンと散乱する際の予想されるイベントレートは何か？
• RQ3 どの振動シナリオ（階層、$\theta_{13}$）において、残響ニュートリノフラックスに対するRSFP効果が最も顕著に現れるか？
• RQ4 水素、炭素、酸素、アルゴンといった異なる標的素材が、大規模検出器における$\nu_e$および$\bar{\nu}_e$信号への感度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 $\nu_e$および$\bar{\nu}_e$フラックスの両方の観測が、質量階層や$\theta_{13}$といった未知のニュートリノ性質を制約するのにどの程度寄与するか？

主な発見

• $\nu_e$フラックスは、振動シナリオ（正規階層または逆階層および$\theta_{13}$値）に応じて、$\bar{\nu}_e$フラックスの最大2.5倍まで大きくなると予測されている。
• MEMPHYSでは、10年間で19.3–27 MeVエネルギー範囲で$\bar{\nu}_e + p$反応で100～250イベントが予想され、LENAでは9.3–25 MeV範囲で45～65イベントが予想される。
• ニュートリノ-炭素散乱では2～3イベント、酸素散乱では10～20イベント、アルゴン散乱では100～200イベントが10年間で観測される。
• 共鳴スピンフラバー反転（RSFP）は、特に大$\theta_{13}$を有する正規階層系における$\bar{\nu}_e$に対して、イベントレートを最大2倍まで増幅または抑制する可能性がある。これはRSF-$h$共鳴に起因する。
• $\nu_e$に対してはRSFPが一般的にイベントレートを減少させるが、磁場プロファイルの仮定に強く依存し、$n=2$のほうが$n=3$よりも強い効果を示す。
• 恒星磁場にニュートリノ磁気モーメントが結合することで、特に大きな磁気モーメントおよび強い磁場を有するシナリオにおいて、フラックスに顕著な変化が生じる。これは、将来の観測施設で検出可能なシグナルを示唆している。