[論文レビュー] Where, when and why: occurrence of fast-pairwise collective neutrino oscillation in three-dimensional core-collapse supernova models

Hiroki Nagakura, Lucas Johns+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 65被引用数 112

ひとこと要約

本研究では、2次モーメントニュートリノ輸送を用いた3次元核崩壊超新星（CCSN）モデルにおいて、ゼロ次および一次角モーメントのみを用いて、高速なペairワイズ集団的ニュートリノ振動を引き起こすために不可欠な電子ニュートリノレプトン数（ELN）の交差を検出する新規手法を開発した。この手法はモーメントに基づく再構成とレイトレーシングを組み合わせ、角分布を推定する。その結果、特に成功した爆発モデルにおいて、後方衝撃領域で一般的に高速なフレーバー変換が発生していることが明らかになった。これは、PNS対流、非対称なニュートリノ放出、およびニュートリノ-物質相互作用によって駆動されている。

ABSTRACT

Fast-pairwise collective neutrino oscillation represents a key uncertainty in the theory of core-collapse supernova (CCSN). Despite the potentially significant impact on CCSN dynamics, it is usually neglected in numerical models of CCSN because of the formidable technical difficulties of self-consistently incorporating this physics. In this paper, we investigate the prospects for the occurrence of fast flavor conversion by diagnosing electron neutrino lepton number (ELN) crossing in more than a dozen state-of-the-art three-dimensional CCSN models. ELN crossings is a necessary condition for triggering flavor conversion. Although only zeroth and first angular moments are available from the simulations, our new method enables us to look into the angular distributions of neutrinos in momentum space and provide accurate insight into ELN crossings. Our analysis suggests that fast flavor conversion generally occurs in the post-shock region of CCSNe, and that explosive models provide more favorable conditions for the flavor conversion than failed CCSNe. We also find that there are both common and progenitor-dependent characteristics. Classifying ELN crossings into two types, we analyze the generation mechanism of each case by scrutinizing the neutrino radiation field and matter interactions. We find key ingredients of CCSN dynamics driving the ELN crossings: proto-neutron star (PNS) convection, asymmetric neutrino emission, neutrino absorptions and scatterings. This study suggests that we need to accommodate fast flavor conversions in realistic CCSN models.

研究の動機と目的

• 3次元CCSNシミュレーションにおける2次モーメントニュートリノ輸送の下で、完全な角ニュートリノ分布データの欠如に対処すること。
• 低次の角モーメントのみを用いて、高速ペアワイズ集団的ニュートリノ振動を引き起こす鍵となるELN交差を検出する、計算的に効率的な手法を開発すること。
• 現実的な3次元CCSNモデルにおける高速フレーバー変換が、どこで、いつ、なぜ発生するかを調査すること。
• ELN交差を引き起こす動的要因（例：PNS対流、非対称なニュートリノ放出）を特定すること。
• 多様な前身星およびシミュレーション設定の下で、高速ニュートリノ振動がどれほど広範に見られ、どのような条件下で促進されるかを評価すること。

提案手法

• 完全なボルツマン輸送シミュレーションで訓練されたキャリブレーション手法を用いて、ゼロ次および一次角モーメントからニュートリノ角分布を再構成する。
• 角分解能を向上させ、モーメントベースの手法が見逃す高次モーメントの特徴を回復するために、レイトレーシング技術を適用する。
• スペクトル依存性を保持したまま、再構成された分布関数を用いてエネルギー別にELN交差を探索する。
• モーメントデータと幾何的レイトレーシングを組み合わせたハイブリッド手法を採用し、標準的なモーメントのみの手法よりも精度を向上させる。
• 完全なボルツマンシミュレーションとの比較を通じて、角交差の検出における信頼性を検証する。
• 異なる前身星質量、解像度、爆発結果を有する十数体の3次元CCSNモデルに、この手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元超新星構造のどの領域でELN交差が最も頻繁に発生し、その領域の空間的特徴は何か？
• RQ2 爆発成功や前身星質量などの条件下では、ELN交差がどのようにしてより顕著になるか？
• RQ3 原始中性子星対流や非対称なニュートリノ放出といった主要な動的特徴が、ELN交差の生成にどのように寄与するか？
• RQ4 高度な再構成技術を用いる場合、ゼロ次および一次角モーメントのみからELN交差をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 ニュートリノ吸収、散乱、および放出の非対称性が、ELN交差を可能にする角構造を駆動する上で果たす相対的な役割は何か？

主な発見

• 高速ペアワイズ集団的ニュートリノ振動は、核崩壊超新星の後方衝撃領域で発生する可能性が高く、特に成功した爆発モデルにおいて顕著である。
• 爆発的CCSNモデルは失敗爆発モデルと比較して、ELN交差を生じやすくなる条件を有しており、衝撃再生や核合成に強い影響を及ぼす可能性がある。
• ELN交差は2種類に分類される：1つは原始中性子星対流によって駆動され、もう1つは非対称なニュートリノ放出によって駆動される。両者とも異なる動的起源を持つ。
• PNS対流と非対称なニュートリノ放出が、ニュートリノフラックスの角構造を形成する主要因であり、ELN交差を可能にする。
• ニュートリノの吸収と散乱は角分布を顕著に変化させ、運動量空間における交差の出現に寄与する。
• 本手法は、2次モーメント輸送を用いた3次元シミュレーションにおいてELN交差を効果的に検出でき、現実的モデルへの大規模応用の可能性を示した。