[论文解读] UHE neutrinos encountering decaying and non-decaying magnetic fields of compact stars

Neetu Raj Singh Chundawat, Arindam Mandal+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究探讨了在强磁场的致密星中穿行时，超高能（UHE）狄拉克中微子通量的衰减。通过利用中微子磁矩引起的自旋-风味翻转，研究发现中子星会使 $ν_{\mu}$ 通量减少约50%，这是由于其转化为惰性态；若存在μ子，则额外减少约10%；白矮星由于磁场较弱，仅导致约25%的通量减少。

ABSTRACT

The phenomena of neutrino spin flavour precession in the presence of an extraneous magnetic field is a repercussion of neutrino magnetic moment which is consociated with the physics beyond the standard model of electroweak interactions. Ultra high energy neutrinos are spawned from a number of sources in the universe including the highly energetic astrophysical objects such as active galactic nuclei, blazar or supermassive black holes. When such high energy neutrinos pass through any compact stellar objects like neutron stars or white dwarfs, their flux can significantly reduce due to the exorbitant magnetic field provided by these compact objects. For Dirac neutrinos, such phenomena occur due to the conversion of neutrinos to their sterile counterparts. In this work, we consider a neutron star possessing a spatially varying magnetic field which may or may not decay with time. We find that, for the non-decaying magnetic field, the flux of high energy Dirac neutrinos becomes nearly half after passing through the neutron star. The flux is further enfeebled by $\sim 10\%$ in the presence of muons inside the neutron star. For decaying magnetic field, the flux reduction is abated by $\sim 5\%$ as compared to the temporally static magnetic field. In the case of a white dwarf, the depletion of flux is lesser as compared to the neutron stars.

研究动机与目标

• 研究致密星磁场对超高能（UHE）狄拉克中微子通量的影响。
• 研究由于磁矩引起的中微子自旋-风味翻转如何影响中子星（NS）和白矮星（WD）中通量的存活率。
• 比较中子星中非衰减与衰减磁场下的通量衰减情况。
• 评估在不同恒星环境中通量减少对中微子天文学的观测意义。

提出的方法

• 使用有效哈密顿量形式化方法模拟狄拉克中微子的自旋-风味翻转。
• 以标准模型中的中微子磁矩上限（$\mu_\nu \sim 3 \times 10^{-19} \mu_B$）作为输入参数。
• 模拟中微子在中心磁场高达 $10^{18}$ G 的中子星中传播，考虑 $npe$ 和 $npe\mu$ 物质组成。
• 采用 GM1 参数化描述核物质方程状态，并求解中微子密度矩阵的时间演化方程。
• 沿中子星和白矮星的径向路径分析 $P(\nu_\mu \to \nu_\mu)$ 的存活概率。
• 同时考虑中子星中静态与随时间衰减的磁场，衰减速率基于天体物理约束推导。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星的磁场在多大程度上通过自旋-风味翻转减少超高能 $\nu_\mu$ 的通量？
• RQ2 中子星物质中存在μ子时，对超高能 $\nu_\mu$ 的存活概率有何影响？
• RQ3 与静态磁场相比，中子星中磁场衰减对中微子通量衰减有何影响？
• RQ4 由于磁场较弱，白矮星中的通量衰减与中子星相比如何？
• RQ5 在致密星中观测到的通量减少是否可作为标准模型之外中微子磁矩的可探测信号？

主要发现

• 在中子星中磁场不衰减的情况下，$\nu_\mu$ 的存活概率降至约 0.5，表明通量减少约50%。
• 在中子星物质中引入μ子后，存活概率从 0.50 降至 0.45，使通量衰减增加约10%。
• 在中子星中磁场发生衰减的情况下，与静态磁场情形相比，存活概率提高约5%，从而减轻了通量衰减。
• 对于具有恒定磁场 $8.8 \times 10^{11}$ G 的白矮星，$\nu_\mu$ 的存活概率约为 0.75，对应通量减少约25%。
• 由于磁场较弱，白矮星中的通量衰减显著低于中子星。
• 在 $10^{15}$ 至 $10^{19}$ eV 的超高能范围内，结果保持稳定，表明通量衰减无显著能量依赖性。