超新星ニュートリノに関する現状と課題

吉田敬

国立天文台理論研究部
2008年度理論懇シンポジウム「理論天文学の将来」
2008年12月16日 国立天文台

超新星ニュートリノ
‹ενe› < ‹ενe› < ‹ενµτ›

超新星ニュートリノの検出
直接検出
超新星relic neutrinosNi
SiOO/CHeν

H

超新星ニュートリノ
Collapsing stellar core
ニュートリノ振動

ニュートリノ元素合成
The ν-processνp-processr-process
写真提供 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設

第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

超新星ニュートリノ元素合成
ν-processの反応率
Neutral current reactions e.g., (Z,A) + ν → (Z-1,A-1) + ν’ + p∞Lναε2σν(ε)dε1
λν = Σ 4πr2 F (η )(kT )4 exp(ε/kT -η )+1
α=e,µ,τνα να3 νανα0Charged current reactions e.g., (Z,A) + ν → (Z+1,A) + ee
∞ ε2P (r;ε)σ (ε)dεLνα1αe
νeλνe = Σ 4πr2 F (η )(kT )4 exp(ε/kTα=e,µ,τνα-ηνα)+13 να
να0

∫

∫

Neutrino luminosityν expLνα(t) = 1 E
6 τν

((t-r/cτν Θ(t-r/c)

Eν: ニュートリノが運び去る全エネルギーτν: neutrino luminosityが減少するタイムスケール
Tνα: να の温度
Pναe(r;ε): να から νe へのニュートリノ振動遷移確率
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

ν-Processによる軽元素合成
軽元素質量比分布16.2 M 超新星 (SN 1987A) Eν=3×1053 ergs, Tνµ,τ=6 MeV(Yoshida et al. 2008, ApJ 686, 448)
O-rich O/C

Mass Fraction

10-5He/C

7Li

10-7

11B
7Be

11C

10-9

重要なν-process反応

10B

4He(ν,ν’p)3H, 4He(ν,ν’n)3He,9Be

10-11
10-13

He/N H

10Be

234Mr / M

12C(ν,ν’p)11B, 12C(ν,ν’n)11C

6Li

56

74He(νe,e-p)3He, 4He(νe,e+n)3H,12C(νe,e-p)11C, 12C(νe,e+n)11B

第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

ニュートリノ振動を考慮したν-Process
ニュートリノ振動によって増加

7Li, 11B生成量(Yoshida et al. 2006, PRL 96, 091101; Yoshida et al. 2008, ApJ 686, 448)
O-richO/CHe/C

710-7mix
Be7Li

10-8
10-9
no mix

10-10

1

He/N

N(7Li)/N(11 B)

Mass Fraction

10-6

0.9

Normal0.8
0.7

Inverted
0.6 no oscillations

234

5

Mr / M

610-6

10-4

sin22θ1310-2

Charged-current reactions
4He(νe,e-p)3He,12C(νe,e-p)11C 4He(νe,e+n)3H, 12C(νe,e+n)11B

N(7Li)/N(11B)が振動パラメータへの制限となる可能性
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

鉄族元素におけるν-Process
15 M Pop III 超新星における ν-process(Yoshida, Umeda, & Nomoto 2008, ApJ 686, 448)Eν=3×1054 erg
Eν=9×1053 erg
Eν=3×1053 erg
No Neutrinos(Eν=3×1053 erg
Tµντ = 8 MeV)

Mn

56Ni(ν,ν’p)55Co(β+) 55Fe(β+) 55Mn

Eν < 9×1053
EMP starでのMn存在度を改善
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

νp-Process
超新星ejecta最深部 (Ye > 0.5)
爆発時におけるニュートリノ照射p(νe,e+)nによる中性子の生成p(νe,e+)nなし
p(νe,e+)nあり64Geで反応凍結

64Ge(n,p)64Ga(p,γ)65Ge

重元素合成へνp-process
A > 64 nuclei(Brown et al. 2002, PRC 65, 045802)
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

νp-Process
超新星ejecta最深部 (Ye > 0.5)
爆発時におけるニュートリノ照射p(νe,e+)nによる中性子の生成p(νe,e+)nなし
p(νe,e+)nあり

64Geで反応凍結

64Ge(n,p)64Ga(p,γ)65Ge

重元素合成へνp-process
A > 64 nuclei(Frohlich et al. 2006a, PRL 96, 142502)
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

νp-Process
超新星ejecta最深部 (Ye > 0.5)
爆発時におけるニュートリノ照射p(νe,e+)nによる中性子の生成p(νe,e+)nなし
p(νe,e+)nあり

64Geで反応凍結

64Ge(n,p)64Ga(p,γ)65Ge

重元素合成へνp-process
A > 64 nuclei(Brown et al. 2002, PRC 65, 045802)
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台νp-Process

Yi / Yi

Model A40

(Frohlich et al. 2006a, PRL 96, 142502;
Frohlich et al. 2006b, ApJ 637, 415
Pruet et al. 2006, ApJ 644, 1028;
Wanajo 2006, ApJ 647, 1323)

From Frohlich et al. 2006ap(νe,e+)nなし
64Geで反応凍結+TNH96
Yi / Yi

45Sc, 49Ti, 64Znp(νe,e+)nあり64Ge(n,p)64Ga(p,γ)65Ge

A > 64 nuclei
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

Neutrinos from Collapsing Stars
Neutrinos from a BH forming collapse(Sumiyoshi et al. 2006, PRL 97, 091101; 2007, ApJ 667, 382; 2008, ApJ 688, 1176)

νµτνe
νe

νµτ νe
νe

νe νe
νµτνe
νe

40 M progenitor(Woosley & Weaver 1995, ApJS 101, 181)

Neutrino signal
collapsing coreの状態方程式に依存
Shen EOS
Lattimer & Swesty EOS

νµτ

第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

Neutrinos from Collapsing Stars
SKによるνe検出予測 (Nakazato et al. 2008, PRD 78, 083014)
Shen EOS

Shen EOSLS EOSLS EOS

NormalInverted

Shen EOS
Lattimer & Swesty EOS(2.9 - 4.9)×104 events(1.1 - 1.7)×104 events

collapsing coreの状態方程式に制限
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

Neutrino Oscillations with νν-Interations( )( )

νeνed+ihc dx ν = [UMU + He + Hνν] νµµHe : MSW effectHνν : νν forward scattering
Pz = (nνe-nνx)/(nνe+nνx)
Pz = (nνe-nνx)/(nνe+nνx)
Inverted mass hierarchy

Lν=1051 ergs; |Δm2c4|=2×10-3 eV2;sin2θ13=10-4(Fogli et al. 2007, JCAP 12, 010)
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

Neutrino Oscillations with νν-Interations( )( )

νeνed+ihc dx ν = [UMU + He + Hνν] νµµHe : MSW effectHνν : νν forward scatteringr = 200 km

Inverted mass hierarchy
Lν=1051 ergs; |Δm2c4|=2×10-3 eV2; sin2θ13=10-4
第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台(Fogli et al. 2007, JCAP 12, 010)

まとめと課題
ニュートリノ元素合成 The ν-process, νp-processν-process

軽元素, 鉄族元素(奇数核)ニュートリノ振動の効果

νp-process

重元素合成(p核)

詳細な爆発モデルと合わせた元素合成(特にejectaの最深部)
Effects by νν interactions

第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

r-process?

まとめと課題
超新星ニュートリノの検出
BH forming コアからのニュートリノ
progenitorや状態方程式の依存性νν interactions
爆発モデル依存性
Effects by νν interactions?
progenitorの違いを他の方法で見られるか
relic neutrinos?

第21回理論懇シンポジウム, 2008年12月16日, 国立天文台

Neutrino Oscillations
dih dt(){(()(νeνµντνeνµντ= U=0Δm221c4/2ενΔm231c4/2εν)

U+ +A(ne)c12c13s12c13s13e-iδ-s12c23-c12s23s13eiδ c12c23-s12s23s13eiδ s23c13
s12s23-c12c23s13eiδ -c12s23-s12c23s13eiδ c23c13

flavor eigenstateA(ne) =(MNS matrix(Maki, Nakagawa, Sakata)±√2GF(hc)3ne 0 000 000 0

Squared mass differencesΔm2ji≡mj2-mi2)}( ))( )νeνµντ

ν1
ν2
ν3

mass eigenstatene : electron number density

Mixing angles
sij≡sinθij, cij≡cosθij

CP phase δ δ=0 (This study)
T. Yoshida, The 6th Japan-Italy Symposium on Heavy Ion Physics, November 13, 2008

Neutrino Oscillation Parameters
Squared mass differencesΔm231 = ±2.4×10-3 eV2, Δm221 = 7.9×10-5 eV2(Based on SK 2004; SNO 2004; KamLAND 2005)

Mass hierarchy
NormalInverted
m3
m3 < m1 < m2m2
m1
m1 < m2 < m3

m3

Δm213+Δm232+Δm221=0Mixing angles
sin22θ12 = 0.816, sin22θ23 = 1
sin22θ13 < 0.1 (Based on CHOOZ 2003; SK 2004; SNO 2004; KamLAND 2005)
T. Yoshida, The 6th Japan-Italy Symposium on Heavy Ion Physics, November 13, 2008

Resonances of Neutrino Oscillations

ρYeFlavor change occurs at resonances.
Normal mass hierarchy
SN 1987A presupernova
ν~ν
23eΔm
θ13
ν37O/C
He/N
10ν
2O-rich
He/C
θ
126H
ν210
ν
15
L10
ρ
410103
102
101
100
10-1

ν1~νe

MSW-HMSW-L
234Mr / M

56Inverted mass hierarchyν2~νeΔm2L
ν2
ν1
ρν1H
ν3
ν3~νe

T. Yoshida, The 6th Japan-Italy Symposium on Heavy Ion Physics, November 13, 2008

Conversion Probabilities
Normal mass hierarchy
adiabatic sin22θ13 = 0.01
O-rich

1He/C

0.4

0

νµ→ν
e+
ντ→νe
2

3

νµ→ν
e+
ντ→νe4Mr / M

5O-rich

1O/C

He/N

0.6
0.4

νµ→ν
e+
ντ→νe

0.2
6

He/C

νe→νe

0.8

Pee , Pxe

νe→νe

0.6

0.2

He/N

νe→νe

0.8

Pee , Pxe

O/C

nonadiabatic sin22θ13 = 10-602

3456Mr / Mεν = 50 MeV

adiabatic H-resonanceAll νe in He layer have changed from νµτ.
nonadiabatic H-resonance
Neutrino flavors gradually change in He layer.
T. Yoshida, The 6th Japan-Italy Symposium on Heavy Ion Physics, November 13, 2008

Conversion Probabilities

0.6

νµ→ν
e+
ντ→νe

0.4
0.2
0Pee , Pxe

Pee , Pxe

Inverted mass hierarchy
adiabatic sin22θ13 = 0.01
nonadiabatic sin22θ13 = 10-6
O-rich
O/C
He/C
He/N
O-rich
O/C
He/C
He/N
1
1
νe→νe
νe→νe
0.8
0.8νe→νe

30.4

νµ→ν
e+
ντ→νe0.2

νµ→ν
e+
ντ→νe
20.64

Mr / M

56023456Mr / Mεν = 50 MeVadiabatic H-resonanceAll νe in He layer have changed from νµτ.
nonadiabatic H-resonance
Neutrino flavors gradually change in He layer.
T. Yoshida, The 6th Japan-Italy Symposium on Heavy Ion Physics, November 13, 2008

Mass Fraction Distribution of 7Li and 11B
Normal mass hierarchy; sin22θ13=0.01
O/C

He/C

710-7mix
Be7Li10-8
10-910-10

no mix23410-5He/N

Mass Fraction

O-rich56O-rich

O/CHe/C

1110-6
10-7
10B

11Cmix
nomix-810-9He/Nmix ix
mno

Mass Fraction

10-623456Mr / M
Mr / M
Eν=3×1053 ergs, Tνµ,τ=6 MeV, sin22θ13 = 0.01
Increase in the mass fractions of 7Be &11C in the He layer

Increase in the rates of 4He(νe,e-p)3He,12C(νe,e-p)11C
7Be & 11C yields
Increase by factors of 2.5 & 1.4
T. Yoshida, The 6th Japan-Italy Symposium on Heavy Ion Physics, November 13, 2008

核反応ネットワーク
291核種

熱核反応
β-decay
電子捕獲反応ν-processdYi= - λiYi + Σ λkYk - Σ ρNA[ij]klYi Yj + Σ ρNA[kl]ijYk Yl + ......
dtkjk,l

温度, 密度進化に従い元素合成過程を計算する