超新星内部keV惰性中微子的系统研究

In recent years, keV-mass sterile neutrinos have been extensively discussed in particle physics, astronomy and cosmology. This is due to three main reasons. First, keV sterile neutrinos appear in many neutrino mass models, and they participate in weak interactions only through a mixing with active neutrinos. Second, keV sterile neutrinos are one of the best candidates for warm dark matter, which could solve the small-scale structure problems in the scenario of cold dark matter. Finally, as the warm dark matter, keV sterile neutrinos have a long lifetime exceeding the age of our Universe, and today their radiative decays lead to a mono-energetic X-ray line, which can be observed in a number of Satellite experiments. The primary goal of this project is to investigate the production of keV sterile neutrinos in supernovae and their impact on the energy transfer and energy loss. The main content of this project and its physics importance can be summarized: (1) based on the supernova neutrino observation and energy-loss arguments, we can set restrictive constraints on the mass and mixing angle of sterile neutrinos, aiming to test the feasibility of the warm dark matter scenario; (2) We examine the impact of keV sterile neutrinos on the transfer of energy and lepton number, and study if they help trigger the explosion of core-collapse supernovae.

近年来，质量为keV的惰性中微子成为粒子物理学、天文学和宇宙学交叉研究领域的前沿热点，而究其原因主要有三个方面。首先，很多解释中微子质量起源的粒子物理学模型引入keV惰性中微子，它们只通过与活性中微子的味混合参与弱相互作用。其次，keV惰性中微子是温暗物质的最佳候选者，它可以解决冷暗物质所面临的宇宙小尺度结构问题。最后，作为温暗物质的keV惰性中微子的衰变寿命远大于宇宙年龄，而今天它们衰变产生的单能光子可以被X-射线卫星实验观测到。本项目旨在系统研究keV惰性中微子在超新星内部的产生及其导致的能量转移和损失，主要研究内容及其物理意义包括（1）结合超新星中微子的实验观测和能量损失判据来限制keV惰性中微子的质量和混合角，检验它们作为温暗物质的可行性；（2）研究keV惰性中微子的产生对超新星内部能量和轻子数输运的影响，讨论其触发引力塌缩型超新星爆发的可能性。

项目的背景：天文学和宇宙学观测显示宇宙中存在暗物质，但是我们仍不清楚暗物质的基本性质及其相互作用规律。因此，作为温暗物质的最佳候选者之一，keV质量的惰性中微子是当前粒子物理、天文和宇宙学领域的前沿热点课题。本项目旨在研究keV质量的惰性中微子的基本属性及其对超新星中微子观测的影响，进而利用将来的超新星中微子观测结果进一步分析keV质量的惰性中微子是否符合温暗物质候选者的要求。..主要研究内容：（1）超新星内部的物质密度极高，这表明物质环境对中微子的味转化至关重要。系统地研究了中微子振荡过程中的物质效应；（2）对keV质量的惰性中微子的限制需要实验观测数据，因此有必要分析超新星中微子在未来大型中微子探测器中的可能信号和实验探测灵敏度；（3）构建包含keV质量的惰性中微子的理论模型并描述其与标准模型粒子的相互作用。..重要进展、结果及其科学意义：（1）提出描述中微子振荡过程中的物质效应的重正化群方法，并利用此方法研究了中微子在物质背景下的有效振荡参数随着物质密度变化的演化行为；在三代中微子振荡框架中，发现相应的物质中有效振荡参数能够近似地用两代中微子振荡图像来表述，而且精确度极高；发现物质中有效的Jarlskog不变量的简单因子化形式，极大地简化了中微子振荡中CP破坏效应的讨论；（2）系统地分析了未来的大型液体闪烁体实验对超新星中微子的探测能力，首次指出结合逆贝塔衰变反应、中微子-电子弹性散射和中微子-质子弹性散射等过程可以重建超新星中微子的平均能量和能谱分布；（3）理论上构建了含有keV质量的惰性中微子的逆跷跷板模型，基于有限模对称性给出惰性中微子与标准模型中微子的味混合形式，并利用天文学和宇宙学观测限制了惰性中微子的质量和混合角。