[论文解读] The effective electron mass in core-collapse supernovae

S J Hardy|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文利用有限温度场论计算了核心塌缩超新星中高温高密度电浆的有效电子质量，发现其从核心边缘的1 MeV上升至中心附近的11 MeV。该质量变化使正电子相关发射率与吸收率最多降低20%，显著影响通过反应反中微子 + 质子 → 正电子 + 中子的反中微子光学厚度。

ABSTRACT

Finite temperature field theory is used to calculate the correction to the mass of the electron in plasma with finite temperature and arbitrary chemical potential, and the results are applied to the core regions of type II supernovae (SNe). It is shown that the effective electron mass varies between 1 MeV at the edge of the SN core up to 11 MeV near the center. This changed electron mass affects the rates of the electroweak processes which involve electrons and positrons. Due to the high electron chemical potential, the total emissivities and absorptivities of interactions involving electrons are only reduced a fraction of a percent. However, for interactions involving positrons, the emissivities and absorptivities are reduced by up to 20 percent. This is of particular significance for the reaction antineutrino + proton positron + neutron which is a source of opacity for antineutrinos in the cores of type II SNe.

研究动机与目标

• 确定II型超新星核心高温高密度电浆中的有效电子质量。
• 评估电子质量修正对能量传输与中微子传输至关重要的电弱相互作用速率的影响。
• 评估电子质量变化对涉及电子与正电子过程的发射率与吸收率的影响。
• 研究对反中微子光学厚度的影响，特别是通过反应反中微子 + 质子 → 正电子 + 中子。
• 量化这些效应在超新星核心中电子化学势与温度变化下的敏感性。

提出的方法

• 应用有限温度场论，计算具有有限温度与任意化学势的电浆中电子传播子的自能修正。
• 求解热密介质中电子自能的Dyson-Schwinger方程，同时考虑热效应与化学势效应。
• 将有效电子质量定义为修正电子传播子极点的实部，考虑其与周围电浆的相互作用。
• 将计算得到的有效质量应用于计算涉及电子与正电子的电弱过程的修正速率。
• 评估关键反应的发射率与吸收率，与自由粒子情况比较。
• 聚焦于涉及正电子产生的反中微子吸收过程，评估由于有效质量变化导致的光学厚度降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于有限温度与高化学势，II型超新星核心中有效电子质量如何变化？
• RQ2 电子质量修正在多大程度上改变涉及电子的电弱过程的发射率与吸收率？
• RQ3 相同修正如何影响涉及正电子的过程，特别是在反中微子光学厚度的背景下？
• RQ4 有效电子质量对反应反中微子 + 质子 → 正电子 + 中子在超新星核心中的定量影响是什么？
• RQ5 这些效应对核心内温度与电子化学势变化的敏感性如何？

主要发现

• 由于强烈的热效应与化学势效应，有效电子质量从超新星核心边缘的约1 MeV上升至中心附近的11 MeV。
• 由于有效质量修正，与电子相关的发射率与吸收率降低不足1%，表明对电子过程影响甚微。
• 由于有效质量修正，与正电子相关的发射率与吸收率最多降低20%，显著影响正电子产生与吸收速率。
• 作为核心中反中微子光学厚度的关键来源，反应反中微子 + 质子 → 正电子 + 中子的截面因有效质量效应而显著降低。
• 有效质量修正导致正电子产生明显抑制，改变II型超新星内核心的能量与光学厚度平衡。
• 结果表明，在核心塌缩超新星的准确建模中，必须在中微子输运计算中包含电子自能修正。