[论文解读] Pulsar Kicks from Active-Sterile Neutrino Transformation in Supernovae

Chad T. Kishimoto|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2011

Particle accelerators and beam dynamics被引用 5

一句话总结

本文提出，脉冲星反冲——即高速中子星喷射——源于原超新星核心中磁化、致密环境内通过活性-惰性中微子振荡产生的惰性中微子的动量非对称性。通过采用相空间方法模拟类似MSW的共振转换，研究发现，keV量级惰性中微子的非对称发射可在不使恒星过度冷却的前提下，产生超过1000 km/s的反冲速度，与SN1987A的观测结果一致。

ABSTRACT

Observations of radio pulsars have revealed that they have large velocities which may be greater than 1000 km/s. In this work, the efficacy of an active-sterile neutrino transformation mechanism to provide these large pulsar kicks is investigated. A phase-space based approach is adopted to follow the the transformation of active neutrinos to sterile neutrinos through an MSW-like resonance in the protoneutron star to refine an estimate to the magnitude of the pulsar kick that can be generated in such an event. The result is that this mechanism can create the large pulsar kicks that are observed while not overcooling the star.

研究动机与目标

• 探究原超新星中活性-惰性中微子转换是否能产生射电脉冲星观测到的高大脉冲星反冲。
• 确定该机制能否在不违反SN1987A冷却约束的前提下产生足够的动量非对称性以形成反冲。
• 评估keV量级惰性中微子作为暗物质候选者的可行性，同时解释脉冲星运动学。
• 利用磁化物质中共振中微子转换的相空间处理方法，改进脉冲星反冲大小的估计。
• 评估磁场和物质分布对发射惰性中微子动量不对称性的影响。

提出的方法

• 采用基于相空间的方法，模拟原超新星核心中通过类似MSW效应的活性中微子向惰性中微子的共振转换。
• 基于共振宽度与振荡长度之比，建模中微子跃迁的绝热性，以确定转换效率。
• 纳入强磁场（高达~10^18 G）对中微子势和共振动量的影响，诱导动量非对称性。
• 计算由于惰性中微子非对称发射产生的净动量反冲，该反冲驱动脉冲星反冲。
• 利用密度、温度和磁场分布估算发射的惰性中微子总能量及由此产生的反冲大小。
• 应用SN1987A的约束，确保惰性中微子发射不会导致恒星过度冷却，从而与观测到的活性中微子通量保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁化原超新星中，活性-惰性中微子振荡能否产生足够的动量非对称性，以解释超过1000 km/s的脉冲星反冲？
• RQ2 在不违反SN1987A冷却约束的前提下，通过惰性中微子发射可实现的最大脉冲星反冲速度是多少？
• RQ3 在原超新星中，局部密度、温度和磁场强度如何影响MSW共振的绝热性？
• RQ4 惰性中微子发射的非对称性在多大程度上源于前向散射势和磁场梯度？
• RQ5 该机制能否同时解释脉冲星反冲并作为keV量级惰性中微子暗物质的可行来源？

主要发现

• 活性-惰性中微子转换机制可产生高达约1000 km/s的脉冲星反冲，与观测到的高速脉冲星一致。
• 由于磁化核心中非对称的共振转换，发射的惰性中微子动量非对称性可达百分之几十。
• 对于合理的原超新星参数（密度~10^14 g/cm³，温度~10-20 MeV，磁场~10^16–10^18 G），该机制不会导致恒星过度冷却。
• 发射的惰性中微子总能量保持在SN1987A约束范围内，确保与观测到的活性中微子通量相容。
• 该机制自然解释了脉冲星中观测到的自旋-速度相关性，原因在于共振区域的定向发射。
• 相空间方法确认，在高密度、高磁场区域，绝热跃迁占主导，从而最大化转换效率和反冲生成。