Self-induced flavor conversion of supernova neutrinos

Izaguirre, Ignacio (2017): Self-induced flavor conversion of supernova neutrinos: introducing a new approach. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir selbst-induzierte Neutrinooszillationen in Umgebungen hoher Neutrinodichte. In diesem Zusammenhang sind Kern-Kollaps-Supernovae das geeignetste Beispiel. Wir untersuchen die Entwicklung der Molekularstärke (mean field) des Neutrino-Flavors. Dazu verwenden wir den Dichtematrizen-Formalismus. Unter der Verwendung der linearisierten Bewegungsgleichungen führen wir eine multidimensionale Fouriertransformation durch, um eine Dispersionrelation für die Wellenzahl (K) und Frequenz (Ω) der dynamischen kollektiven Flavormoden zu erhalten. Wir wenden diesen neuen Ansatz an, um die zeitliche und räumliche Flavor-Entwicklung der Neutrino-Feldstärke in Supernova-ähnlichen Szenarien zu untersuchen. Wir folgern, dass exponentiell wachsende Lösungen (Instabilitäten) ``verbotenen'' Regionen bzw. Lücken in der (K, Ω)-Ebene der Dispersionsrelation entsprechen. Falls die Anfangsbedingungen des Systems eine Frequenz im Bereich einer solchen Lücke vorgeben, wird das System einem exponentiellen räumlichen Wachstum unterliegen. Analoges gilt für das zeitliche Wachstum, falls die Anfangsbedingungen einen Wellenvektor im Bereich einer Lücke vorgeben. Für den speziellen Fall der räumlichen Entwicklung eines stationären Systems folgern wir, dass Inhomogenitäten senkrecht zur Richtung des Wellenvektors keine Auswirkungen haben. Darüberhinaus kann die Flavor-Konversionsrate abhängig von der lokalen Winkelverteilung der von Neutrinos getragenen Elektronen-leptonzahl proportional zur Neutrino-Neutrino-Wechselwirkungsenergie, gegeben durch , sein. Letztere ist in Umgebungen hoher Neutrinodichte deutlich höher als die Vakuumoszillationsenergie, d.h.. Wir bezeichnen dieses Phänomen als schnelle Flavor-Konversion, die selbst bei verschwindendem ϖ auftritt. Abschließend halten wir fest, dass die Lösungen realer Szenarien von den Randbedingungen und/oder den Anfangsbedingungen abhängen; eine Fragestellung, die weiterführende Untersuchungen erfordert.

Abstract

In this thesis, we study self-induced neutrino flavor conversion in environments where neutrinos are dense. In this context, core-collapse supernovae are the most illustrative examples. Under the framework provided by the density matrix formalism, we study the evolution of the mean field of the neutrino flavor. Using the linearized equations of motion, we carry out a multidimensional Fourier transform which leads us to a dispersion relation for the wave number (K) and frequency (Ω) of the dynamical collective flavor modes. We use this novel approach to study the spatial and temporal flavor evolution of the neutrino field in supernova motivated scenarios. We conclude that run-away solutions (instabilities) correspond to ``forbidden'' regions or gaps in the dispersion relation in the (K, Ω) plane. If the initial conditions of the system impose a frequency within the gap, the system will undergo spatial exponential growth. On the other hand, if the initial conditions of the system impose a wave vector within the gap, the system will undergo a temporal run away. For the particular case of the spatial evolution of a stationary system, we conclude that inhomogeneities in the perpendicular directions are innocuous. Moreover, depending on the local angular distributions of the electron number carried by neutrinos, the flavor conversion rate can be proportional to the neutrino-neutrino interaction energy, which is much higher than the vacuum oscillation energy in these dense environments .We refer to this phenomenon as fast flavor conversion which occurs even for vanishing ϖ. Finally, we point out that the actual solutions which take place in a real scenario depend on the boundary conditions and/or initial conditions, a topic which requires further study.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Neutrinos, Astrophysics, Particle Physics, Collective oscillations
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 4. Juli 2017
• 1. Bericht­erstatter:in: Raffelt, Georg