[論文レビュー] UHE neutrinos encountering decaying and non-decaying magnetic fields of compact stars

Neetu Raj Singh Chundawat, Arindam Mandal+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、強い磁場を有する白色矮星を通過する超高エネルギー（UHE）ディラックニュートリノのフラックス減衰を調査する。ニュートリノ磁気モーメントに起因するスピン・フレーバー揺らぎを用いて、中性子星では$ν_{\mu}$フラックスが約50％減少し、ステルライト状態に変換されることが判明。ミューオンが存在する場合にはさらに約10％の減少が生じる。白色矮星では磁場が弱いため、フラックス減少は約25％にとどまる。

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.

研究の動機と目的

• コンパクト星の磁場が超高エネルギー（UHE）ディラックニュートリノフラックスに与える影響を調査すること。
• 磁気モーメントに起因するニュートリノスピン・フレーバー揺らぎが、中性子星（NS）および白色矮星（WD）におけるフラックス生存確率に与える影響を検討すること。
• 中性子星における非崩壊的および崩壊的磁場の両者におけるフラックス減衰を比較すること。
• ニュートリノ天文学における、異なる恒星環境におけるフラックス減少の観測的意義を評価すること。

提案手法

• ディラックニュートリノの磁気モーメントを考慮した有効ハミルトニアン形式を用いて、ニュートリノスピン・フレーバー揺らぎをモデル化する。
• 標準模型からのニュートリノ磁気モーメントの上限値（$\mu_\nu \sim 3 \times 10^{-19} \mu_B$）を入力条件とする。
• 中心磁場が最大$10^{18}$ Gに達する$npe$および$npe\mu$物質組成の中性子星を想定し、ニュートリノの伝播をシミュレーションする。
• 核状態方程式にGM1パラメータ化を用い、ニュートリノ密度行列の時間発展方程式を解く。
• 中性子星および白色矮星を通過する径方向パスに沿った生存確率$P(\nu_\mu \to \nu_\mu)$を分析する。
• 中性子星における静的および時間的崩壊磁場を両方考慮し、天体物理学的制約から得られる崩壊 timescale を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星の磁場が、スピン・フレーバー揺らぎに起因して、UHE $\nu_\mu$ のフラックスをどの程度減少させるか？
• RQ2 中性子星物質にミューオンが存在する場合、UHE $\nu_\mu$ の生存確率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 磁場の崩壊が、静的磁場と比較して中性子星におけるニュートリノフラックス減衰に与える影響は何か？
• RQ4 白色矮星におけるフラックス減衰は、磁場が弱いため中性子星と比べてどの程度異なるか？
• RQ5 コンパクト星における観測されたフラックス減少が、標準模型を超えるニュートリノ磁気モーメントを検出可能なシグネチャとして提供できるか？

主な発見

• 中性子星における非崩壊的磁場の下では、$\nu_\mu$ の生存確率は約0.5に低下し、これは50％のフラックス減少を示している。
• 中性子星物質にミューオンが含まれる場合、生存確率は0.50から0.45に低下し、フラックス減衰が約10％増加する。
• 中性子星における磁場の崩壊が生じる場合、静的磁場の場合と比較して生存確率は約5％上昇し、フラックス減衰が軽減される。
• 一定磁場$8.8 \times 10^{11}$ Gを有する白色矮星では、$\nu_\mu$ の生存確率は約0.75であり、25％のフラックス減少に対応する。
• 白色矮星におけるフラックス減少は、磁場が弱いため中性子星に比べて顕著に小さい。
• UHEエネルギー範囲（$10^{15}$から$10^{19}$ eV）にわたり、結果は安定しており、フラックス減衰に強いエネルギー依存性は認められない。