Neutrino signals of evolution from supernova to neutron star

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J21669
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 杉浦 健一 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: ニュートリノ / 超新星爆発 / 原始中性子星

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では，超新星から中性子星に到るまでの進化を解明するために，超新星爆発中に大量に放出されるニュートリノシグナルの理論予測を行う研究を行なっている. 超新星爆発のエネルギー源は重力崩壊中に解放される重力エネルギーであり，その 99% はニュートリノの形で放出される. ニュートリノと物質との間の反応率は，電磁波と物質と比較して極めて小さいため，ニュートリノは超新星中心部すなわち原始中性子星 (PNS) の情報を我々に伝えてくれるメッセンジャーである. 超新星からのニュートリノシグナルの解明は，超新星メカニズムの理論的解明のみならず，高温高密度物質の解明に非常に重要な役割を果たす.本年は，昨年度に引き続き，超新星中心部におけるニュートリノと物質の相互作用及びそれがニュートリノシグナルに与える影響に特化して研究を行ってきた.
本年度に，ニュートリノと物質の相互作用に関して行った研究は主に二つに分けられる. まず一つ目は，近年，超新星における存在の重要性が注目されているミューオンが関わるニュートリノ反応の反応率の計算である. これまでは，ミューオンはその大きな静止質量のために，超新星爆発初期には存在しないと考えられていたが，近年の数値シミュレーションにより，ミューオンが一定量生成されることが指摘され，原始中性子星の冷却においてもミューオンの寄与を調べることが重要である. そこで，私は原始中性子星の冷却段階の熱力学状態を取り出して，ミューオンとニュートリノ反応率を全てを精密に計算し，それらの反応がどの程度重要かを評価した.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究課題に沿って，ニュートリノ反応率計算の精密化に取組，論文を投稿済みである．
論文の採択に向けて，論文の修正を図っているところである．

Strategy for Future Research Activity

昨年度まで完成させたPNS冷却におけるニュートリノ反応率計算コードをもちいて，これらの反応率を現在申請者のグループの持っている流速 拡散近似法を用いた球対称一次元のPNS冷却計算コードに組み込むことを行う.
また，ニュートリノ反応率への多体相関効果を random phase approximation をもちいて取り込んだ計算を行う.
これまで，原始中性子星におけるミューオンの存在は無視され，ニュートリノのフレーバーは，電子型，反電子型と重レプトン型(ミュー型お よびタウ型の4フレーバーをまとめたもの)の3フレーバーモデルを用いられてきたが，ミューオンの生成の考慮に伴って，ニュートリノ6フレー バーを取り扱うニュートリノ輸送計算コードへと抜本的に改善す る.
さらに，次世代ニュー トリノ観測においてPNS冷却の後期段階が観測できる可能性を見越して，PNS冷却の後期段階で重要となる修正Urca過程 と呼ばれるニュートリノ生成過程も，冷却計算の最初の段階から組み込んだ計算も行う. またPNS冷却計算の初期条件としては，共同研究者が数値計算を用いて得た，爆発に成功する超新星爆発計算結果を用いることで，現実的で観 測と比較可能な長時間計算を行う. PNS冷却におけるニュートリノ光度やスペクトルの長時間変化を調べることで，観測からPNSの物理的状態に 対してどのような示唆が得られるかをまとめ，高温高密度環境の物理に対する示唆も考察する.