[论文解读] Neutrino-pair emission in a strong magnetic field

Ene van Dalen, Ael Dieperink+2 more|ArXiv.org|May 11, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文研究了强磁场中子星中的中微子对辐射，识别出一种新的单体中性流 bremsstrahlung 过程，该过程在磁场为 $10^{16}$–$10^{17}$ G 且温度约为 $10^9$ K 时，其发射率超过修正 Urca 辐射。利用 $npe$-物质的参数化方程状态，研究显示该过程在零场条件下的发射率与修正 Urca 过程相当，为磁化中子星提供了一个关键的冷却通道。

ABSTRACT

We study the neutrino emissivity of strongly magnetized neutron stars due to the charged and neutral current couplings of neutrinos to baryons in strong magnetic fields. The leading order neutral current process is the one-body neutrino-pair bremsstrahlung, which does not have an analogue in the zero field limit. The leading order charged current reaction is the known generalization of the direct Urca processes to strong magnetic fields. While for superstrong magnetic fields in excess of $10^{18}$ G the direct Urca process dominates the one-body bremsstrahlung, we find that for fields on the order $10^{16}-10^{17}$ G and temperatures a few times $10^9$ K the one-body bremsstrahlung is the dominant process. Numerical computation of the resulting emissivity, based on a simple parametrization of the equation of state of the $npe$-matter in a strong magnetic field, shows that the emissivity of this reaction is of the same order of magnitude as that of the modified Urca process in the zero field limit.

研究动机与目标

• 研究强磁场中子星中中微子发射率机制，特别是那些在零场条件下不存在的单体过程。
• 评估在 $B > 10^{16}$ G 的中子星冷却过程中，单体中性流 bremsstrahlung 与直接 Urca 过程的相对重要性。
• 使用 $npe$-物质的简化方程状态，将这些新过程的发射率与零场条件下的标准修正 Urca 过程进行比较。
• 确定单体 bremsstrahlung 成为磁化中子星内部主导中微子发射通道的条件。

提出的方法

• 采用有限温度的 Matsubara 绿色函数，计算强磁场中中子和质子的极化函数。
• 通过响应函数形式推导发射率，基于中微子发射过程的虚部极化函数。
• 使用 $npe$-物质在强磁场中的方程状态的简化参数化，以模拟重子和轻子的分布及其 Landau 能级量化。
• 计算中性流（中微子对 bremsstrahlung）和带电流（直接 Urca）过程的矩阵元，包括自旋和 Landau 能级依赖性。
• 将平方矩阵元与轻子张量收缩，获得微分发射率，并对末态中微子动量进行积分。
• 对磁场范围为 $10^{16}$–$10^{18}$ G 和温度约为 $10^9$ K 的情况，进行发射率的数值计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 单体中性流中微子对 bremsstrahlung 在强磁场中子星中的作用是什么？它与零场过程有何不同？
• RQ2 在何种磁场和温度条件下，单体 bremsstrahlung 会超过直接 Urca 过程？
• RQ3 单体 bremsstrahlung 的发射率在定量上与零场极限下的修正 Urca 过程相比如何？
• RQ4 Landau 能级量化和自旋依赖耦合如何影响强磁场中中微子发射速率？
• RQ5 带电流和中性流过程对磁化中子星物质总中微子发射率的相对贡献是什么？

主要发现

• 发现单体中性流过程——即中子的中微子对 bremsstrahlung——在 $B \sim 10^{16}$–$10^{17}$ G 且 $T \sim 10^9$ K 的强磁场中子星中，是主导的中微子发射通道。
• 该过程在零场极限下无对应机制，其源于磁场引起的中子费米面分裂和 Landau 能级量化。
• 当磁场超过 $10^{18}$ G 时，直接 Urca 过程超过单体 bremsstrahlung，但在 $10^{16}$–$10^{17}$ G 范围内，bremsstrahlung 是主要的发射机制。
• 单体 bremsstrahlung 过程的发射率与零场极限下修正 Urca 过程的发射率处于同一数量级。
• 强磁场缓解了动力学约束，使得即使在低质子分数下也能实现中微子发射。
• 数值结果证实，发射率对状态方程参数化和 Landau 能级占据情况敏感，自旋翻转跃迁和通过 $\sqrt{eB}$ 的横向动量展宽有显著贡献。