[论文解读] Cosmic Background Neutrinos Deflected by Gravity: DEMNUni Simulation Analysis

Beatriz Hernández-Molinero, C. Carbone+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2023

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

本文利用 DEMNUni 模拟，提出了一种质量依赖的公式，用于计算宇宙微波背景中微子在引力作用下的偏转角，表明引力可增强氚基实验（如 Ptolemy）对狄拉克与马约拉纳中微子的区分能力。最轻的中微子虽处于极端相对论状态且偏转微弱，但仍因手征性翻转而表现出狄拉克与马约拉纳情况下的可测量捕获率差异，凸显引力在探测中微子本质中的关键作用。

ABSTRACT

The local supercluster acts as a gravity deflection source for cosmic background neutrinos. This deflection by gravity changes the neutrino helicity and therefore has important consequences for ground based tritium capture experiments aimed at determining if the neutrino is Dirac or Majorana. Here we explore the deflection effect of the local supercluster using the higher resolution DEMNUni simulation suite and reaffirm our previous results. We show that the lightest neutrinos are ultra-relativistic enough to suffer little deflection by gravity and at the same time not relativistic enough to achieve the same capture rate for Dirac and Majorana cases. This means that the capture rate in Ptolemy-like experiments will be sensitive to the neutrino nature and that gravity deflection enlarges the difference between Majorana and Dirac rates. Moreover, using the relation between mass and momentum of the neutrinos frozen Fermi-Dirac distribution, we are able to calculate the deflection angle for different neutrino masses from the same set of neutrinos obtained from the simulation. Doing so, we provide a formula to compute the deflection angle for any neutrino mass, such that when cosmology detects an absolute neutrino mass, precise predictions can be made for tritium ground-based detectors on Earth aimed to determine neutrinos nature.

研究动机与目标

• 量化大尺度结构引起的引力偏转如何改变宇宙微波背景中微子的手征性内容。
• 通过从单一高分辨率模拟中推导出质量依赖的偏转公式，克服模拟多种中微子质量的计算不可行性。
• 通过引入狄拉克中微子的手征性变化引起的引力效应，改进地面氚实验（如 Ptolemy）中中微子捕获率的预测。
• 一旦宇宙学测量确定了中微子的绝对质量，即可实现精确的捕获率预测。
• 评估引力对未来实验中区分狄拉克与马约拉纳中微子方案的影响。

提出的方法

• 利用高分辨率的 DEMNUni 模拟套件，模拟中微子在本地超星系团中质量大于 10^14 M☉ 的暗物质晕中的轨迹。
• 通过分析中微子在模拟晕中与引力势的相互作用，计算不同速度和质量中微子的偏转角。
• 利用模拟中获得的冻结费米-狄拉克动量分布，推导出平均余弦偏转角作为中微子质量的拟合公式。
• 计算偏转后的左旋与右旋中微子密度，以评估狄拉克与马约拉纳情况下的捕获率差异。
• 将公式应用于氚基探测器的捕获率计算，结合质量本征态贡献与手征性依赖的截面。
• 通过考虑非均匀的质量依赖速度场与偏转效应，对先前结果进行验证与更新。

Figure 1 : Deflection angle comparison between all neutrinos found in the simulation in blue versus neutrinos found inside haloes that satisfy $M>10^{15}\,M_{\odot}$ within 1.5 Mpc in red.

实验结果

研究问题

• RQ1 本地超星系团的引力偏转如何改变宇宙微波背景中微子的手征性内容？
• RQ2 引力在多大程度上增强了氚基捕获实验中对狄拉克与马约拉纳中微子的可区分性？
• RQ3 能否通过单一宇宙学模拟，借助推导出的质量依赖公式，预测所有中微子质量的偏转角？
• RQ4 引力对不同质量本征态下狄拉克与马约拉纳中微子捕获率差异的定量影响是什么？
• RQ5 相对论性与非相对论性中微子的行为如何影响地面探测器对中微子本质的探测灵敏度？

主要发现

• 最轻的中微子（1 meV）处于极端相对论状态，引力偏转极小，但仍因其非相对论性足够强而打破狄拉克与马约拉纳捕获率的简并性，从而对手征性翻转保持敏感。
• 对于 1 meV 中微子，狄拉克捕获率为 3.89 yr⁻¹，马约拉纳捕获率为 5.46 yr⁻¹，由于引力诱导的手征性重分布，两者相差 40%。
• 对于更重的中微子（50 meV），狄拉克捕获率降至 0.09 yr⁻¹，而马约拉纳捕获率升至 0.18 yr⁻¹，表明狄拉克捕获率因引力作用被抑制了两倍。
• 引力偏转效应在非相对论性中微子中最为显著，此时左旋与右旋态几乎简并，使手征性翻转对捕获率的影响被显著放大。
• 推导出的公式可精确预测任意中微子质量的偏转角，使未来实验在解释捕获率测量时能够考虑引力效应。
• 引力通过重新分配手征性内容，降低狄拉克捕获率，从而增强狄拉克与马约拉纳情况下的可观测差异，尤其在非相对论性中微子中表现显著。

(a) frequency