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Neutrino Interactions with Supernova Matter

Bartl, Alexander :
Neutrino Interactions with Supernova Matter.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Neutrino Interactions with Supernova Matter
Language: English
Abstract:

Massive stars end their life in an energetic explosion called a core-collapse supernova. In such a supernova, neutrinos are produced in copious number and their interactions with matter play a major role for the supernova dynamics, the observable neutrino signal, and the conditions for nucleosynthesis. In supernova simulations, neutrino reactions involving interacting nucleons (like bremsstrahlung, inelastic scattering, and the modified Urca process) are typically described by simple models, including the one-pion-exchange (OPE) approximation for nucleon-nucleon interactions, or not implemented in the case of inelastic scattering.

In this thesis, we extend the formalism to go beyond these approximations. We derive expressions for the structure factor considering neutral-current reactions in non-degenerate mixtures of neutrons and protons, an expression that combines the effect of nucleon-nucleon interactions and nuclear recoil in non-degenerate pure neutron matter, and a structure factor for charged-current processes involving interacting nucleons. In mixtures of neutrons and protons, our calculations based on chiral effective field theory (EFT) interactions show a reduction of neutrino interaction rates by a factor of two compared to the OPE approximation at typical neutrinosphere densities (10^12-10^13 g/cm^3) and beyond. This agrees with earlier work in pure neutron matter. Calculations beyond the Born approximation based on phase shifts extracted from experiment show a similar reduction at these densities, but a large enhancement at lower densities, especially for small energy transfer. We trace this effect to the large scattering lengths in the two-nucleon sector and the fact that supernova matter at subnuclear densities behaves similar to a resonant Fermi gas. In collaboration with astrophysicists, we have investigated the impact of our improved rates on the neutrino signal and the supernova dynamics using two different approaches: detailed rates to post-process profiles obtained in simulations as well as a simple approximation of our results that is directly implemented in a simulation. We find minor changes in the neutrino emission with a shift of luminosities from heavy-lepton to electron neutrinos, harder neutrino spectra, and somewhat delayed cooling of the proto-neutron star.

Three-body forces occur naturally in the framework of chiral EFT and were shown to be important in nuclear structure calculations. We present first results for neutrino rates in non-degenerate matter that include three-body interactions. In pure neutron matter, we find a significant increase of the rates and opacities compared to the chiral results only including two-body forces, both at next-to--next-to--leading order and (to a lesser extent) at next-to--next-to--next-to--leading order. Our results show smaller effects in mixtures. In addition, we look at scattering reactions, where the long-wavelength limit of the structure factor is found to work well when calculating opacities, but not the energy transfer. Compared to nuclear recoil, interactions have a significant impact on the energy transfer especially for low-energy neutrinos in high-density, high-temperature environments. Our first results for the charged-current spin relaxation rate show trends similar to the neutral-current case. Finally, we outline open questions and remaining steps towards a consistent description of neutrino-nucleon interactions based on modern nuclear forces.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Kernkollaps-Supernovae sind energetische Explosionen, die das Ende massereicher Sterne markieren und in deren Verlauf eine Vielzahl von Neutrinos erzeugt wird. Die Wechselwirkung von Neutrinos mit der umgebenden Materie spielt eine wichtige Rolle für die Dynamik der Supernova, das messbare Neutrinosignal und die Nukleosynthese-Prozesse. Für einige Wechselwirkungsprozesse, beispielsweise Bremsstrahlung, inelastische Streuung und den modifizierten Urca-Prozess, sind miteinander wechselwirkende Nukleonen besonders wichtig. In Supernova-Simulationen werden diese Prozesse basierend auf vereinfachten Modellen wie der Ein-Pion-Austausch-Näherung für die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung beschrieben oder im Fall der inelastischen Streuung gar nicht berücksichtigt. In dieser Arbeit erweitern wir den bestehenden Formalismus und gehen über diese Näherungen hinaus. Wir berechnen Ausdrücke für die Strukturfunktion für Neutrino-Wechselwirkungsprozesse mit neutralen Strömen, die im Fall nicht-entarteter Mischungen aus Protonen und Neutronen gültig sind bzw.\ in Neutronenmaterie die Effekte von Nukleon-Nukleon-Wechselwirkungen und Rückstoß kombinieren. Darüber hinaus leiten wir einen Ausdruck für die Strukturfunktion für Prozesse mit geladenen Strömen her, an denen miteinander wechselwirkende Nukleonen beteiligt sind. Unsere Rechnungen basierend auf Wechselwirkungen, die durch die chirale effektive Feldtheorie (EFT) beschrieben werden, zeigen in Mischungen aus Protonen und Neutronen eine Halbierung der Neutrino-Wechselwirkungsraten verglichen mit Rechnungen in der Ein-Pion-Austausch-Näherung für Dichten, die für die Neutrinosphären typisch sind (10^12-10^13 g/cm^3), sowie bei höheren Dichten. Dies stimmt mit früheren Ergebnissen in Neutronenmaterie überein. Rechnungen basierend auf Streuphasen, die aus experimentellen Daten extrahiert wurden, gehen über die Born-Näherung hinaus und zeigen eine ähnliche Reduktion bei hohen Dichten, aber eine deutliche Steigerung bei niedrigen Dichten, insbesondere für kleine Energieüberträge. Wir führen diesen Effekt darauf zurück, dass die Streulängen im Zwei-Nukleon-Sektor groß sind und sich Supernova-Materie bei kleinen Dichten wie ein resonantes Fermi-Gas verhält. Der Einfluss unserer verbesserten Raten auf die Neutrino-Emission und die Dynamik von Supernovae werden in Zusammenarbeit mit Astrophysikern auf zwei Arten untersucht: Wir verwenden detaillierte Tabellen unserer Ergebnisse, um nachträglich die Neutrinoraten entlang von in Supernova-Simulationen generierten Profilen zu berechnen, sowie einen ungefähren Korrekturfaktor, der direkt in einer Simulation implementiert wird. Wir finden geringe Änderungen der Neutrino-Emission in Form einer Verschiebung der Luminosität von Myon- und Tau- zu Elektron-Neutrinos und härterer Neutrinospektren sowie eine leichte Verzögerung der Proto-Neutronenstern-Abkühlung. Die chirale EFT sagt auch Dreiteilchenkräfte voraus, deren Bedeutung in Kernstruktur-Rechnungen gezeigt wurde. Wir präsentieren erstmals Ergebnisse für Neutrino-Wechselwirkungsraten mit Dreiteilchenkräften in nicht-entarteter Materie. In Neutronenmaterie finden wir sowohl in dritter als auch (in geringerem Maße) in vierter Ordnung der chiralen Entwicklung eine starke Zunahme der Wechselwirkungsraten und Opazitäten relativ zu Rechnungen, die nur chirale Zweiteilchenkräfte enthalten. Der Einfluss von Dreiteilchenkräften in Mischungen aus Protonen und Neutronen ist hingegen deutlich geringer. Zusätzlich betrachten wir inelastische Streuung und zeigen, dass der Grenzfall großer Wellenlängen für die Strukturfunktion zwar für die Berechnung von Opazitäten, aber nicht für die des Energieübertrags eine gute Näherung darstellt. Nukleon-Nukleon-Wechselwirkungen spielen verglichen zum Energieübertrag durch Rückstoß vor allem eine Rolle für Neutrinos mit niedriger Energie in dichten, heißen Umgebungen. Unsere ersten Ergebnisse für die Spin-Relaxationsrate in Prozessen mit geladenen Strömen zeigen Trends, die denen für Prozesse mit neutralen Strömen ähnlich sind. Abschließend skizzieren wir offene Fragen und verbleibende Schritte hin zu einer konsistenten Beschreibung von Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen basierend auf modernen Kernkräften.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
Date Deposited: 01 Nov 2016 13:08
Last Modified: 16 Nov 2016 14:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57138
Referees: Schwenk, Prof. Ph.D Achim and Arcones Segovia, Prof. Dr. Almudena
Refereed: 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5713
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