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Neutrino Reactions in Hot and Dense Matter

Lohs, Andreas :
Neutrino Reactions in Hot and Dense Matter.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Neutrino Reactions in Hot and Dense Matter
Language: English
Abstract:

In this thesis, neutrino reactions in hot and dense matter are studied. In particular, this work is concerned with neutrino-matter interactions that are relevant for neutrino transport in core-collapse supernovae (CCSNe). The majority of the energy from a CCSN is released in the form of neutrinos. Accurate understanding and computation of these interactions is most relevant to achieve sufficiently reliable predictions for the evolution of CCSNe and other related question such as the production of heavy elements or neutrino oscillations.

For this purpose this work follows the combined approach of searching for new important neutrino reactions and improving the computation of those reactions that are already implemented.

First we estimate the relevance of charged-current weak interactions that include muon-neutrinos or muons, as well as the role of neutron decay for neutrino transport in CCSNe. All of these reactions were previously neglected in CCSN-simulations. We derive and compute the matrix element and subsequent semi-analytic expressions for transport properties like the inverse mean free path of the new reactions. It is found that these reactions are important for muon neutrinos and low energy electron antineutrinos at very high densities in the protoneutron star surface. Consequently their implementation might lead to several changes in the prediction of CCSNe signatures such as the nucleosynthesis yields.

Second we improve the precision in the computation of well known neutrino-nucleon reactions like neutrino absorption on neutrons. We derive semi-analytic expressions for transport properties that use less restrictive approximations while keeping the computational demand constant. Therefore we consider the full relativistic kinematics of all participating particles i.e. allowing for relativistic nucleons and finite lepton masses. Also the weak magnetism terms of the matrix elements are explicitly included to all orders.

From our results we suggest that the new neutrino reactions should be included in future dynamic CCSN-simulations to achieve quantitative conclusions of their impact on neutrino transport. Also we recommend the use of more precise computation schemes for neutrino rates when studying neutrino-nucleon interactions at large densities, where the strong interaction between nucleons becomes important.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit untersucht Neutrino -Reaktionen in heißer und dichter Materie. Insbesondere beschäftigt sie sich mit Neutrino-Materie-Wechselwirkungen die für den Neutrino-Transport in Kernkollaps-Supernovae (CCSNe) von Bedeutung sind. Eine CCSN setzt den überwiegenden Großteil ihrer Energie in Form von Neutrinos frei. Daher ist ein möglichst genaues Verständnis und die entsprechende Berechnung dieser Wechselwirkungen von Nöten um verlässliche Modelle und Vorhersagen für den Ablauf von CCSNe und die damit verbundenen Prozessen zu erhalten. Letztere sind z.B. die Synthese schwerer Elemente oder Neutrino-Oszillationen. Hierzu folgt diese Arbeit einem zweigeteilten Ansatz. Zum einen wird nach neuen, wichtigen Neutrino-Reaktionen gesucht. Zum anderen wird versucht die Berechnungen bereits bekannter Reaktionen hinsichtlich ihrer Präzision zu verbessern. Zuerst untersuchen wir sowohl die Relevanz sog. ``charged-current'' schwacher Wechselwirkungen von Myonneutrinos oder Myonen als auch die Rolle des Neutronzerfalls. Dazu leiten wir für diese neuen Reaktionen die Matrixelemente und semi-analytischen Ausdrücke für Transportgrößen wie die mittlere freie Weglänge her, und berechnen diese dann numerisch. Es wird festgestellt, dass die neuen Reaktionen eine wichtige Rolle für den Transport von Myonneutrinos und niederenergetischen Elektron-Antineutrinos spielen, insbesondere bei hohen Dichten in der Oberfläche des Proto-Neutronen-Sterns. Dementsprechend wird die Implementierung dieser Reaktionen sehr wahrscheinlich zu geänderten Vorhersagen für CCSNe-Signaturen wie z.B. die Nukleosynthese-Ausbeute führen. Weiterhin erhöhen wir die Genauigkeit der Berechnung bereits bekannter und implementierter Neutrino-Nukleon Reaktionen wie der Neutrino-Absorption am Neutron. Dazu leiten wir neue semi-analytische Ausdrücke für die Transportgrößen her, die weniger restriktive Approximationen bei gleichem Rechenaufwand benötigen. Hierfür berücksichtigen wir bei allen Teilchen die volle relativistische Kinematik. Insbesondere betrachten wir damit auch relativistische Nukleonen und endliche Leptonenmassen. zusätzlich sind in den Matrixelementen alle Terme für Schwachen Magnetismus explizit enthalten. Auf Basis der Ergebnisse wird schießlich zur Implementierung der neuen Reaktionen in zuküftige CCSN-Simulationen geraten, damit der Einfluss der Änderungen auf den Neutrino-Transport auch quantitativ bestimmt werden kann. Bei der Betrachtung von Neutrino-Nukleon Wechselwirkungen bei hohen Dichten, bei denen die starke Wechselwirkung zwischen Nukleonen wichtig wird, werden außerdem genauere Berechnungen der Neutrino-Raten empfohlen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 27 Jul 2015 13:32
Last Modified: 27 Jul 2015 13:32
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46407
Referees: Martinez-Pinedo, Prof. Gabriel and Friman, Prof. Bengt
Refereed: 13 April 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4640
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