各种起源的宇宙MeV中微子相关理论问题研究

Besides the Sun and the supernovae, there are many other kinds of astronomical objects that may emit MeV neutrinos due to the nuclear reactions in the core of these objects. It has been proved by many studies that these MeV neutrinos play a crucial role in the energy and momentum transmitting. By detecting this kind of MeV neutrinos, it’s possible for us to find out what was happened in the very center of these compact objects. In this project we will carry out detailed phenomenology studies of the MeV neutrinos from the supernovae, supernova remnants, gamma-ray bursts and Pop III stars, including: 1) the spectrum of MeV neutrinos and its connection to the properties of the corresponding astronomical object; 2) the properties of the diffuse MeV background neutrino spectrum from the neutrino-dominated accretion flow and its relationship to the cosmological model of star formation; 3) a detailed comparison between the diffuse MeV neutrino backgrounds of the supernovae, the gamma-ray bursts and the Pop III stars; 4) the connection between the high-energy neutrinos and the MeV neutrinos from the same observable gamma-ray burst; and 5) effects of new physics beyond the SM on the MeV neutrino production in these astronomical objects.

除了我们所熟悉的太阳和超新星，宇宙中还存在着许多其他类型的天体也能够通过其内部的核反应产生大量MeV到几十个MeV能量的中微子。在致密天体内部高温高密的极端环境下，中微子在能动量的传递方面起到了不可替代的作用，更为重要的是探测这类MeV中微子可能为我们提供致密天体内部中心区域的结构和动力学机制的信息，可以说它们是除引力波外唯一直接来自致密天体核心区域的信使。我们的研究工作主要针对超新星、伽马射线暴、第三星族恒星等MeV中微子源，结合相关的实验，对以下几方面进行研究：1）单个天体源的中微子能谱与对应天体的基本参数间的关联；2）MeV中微子背景能谱与宇宙学参数间的关联；3）各类不同来源的MeV中微子背景能谱的对比；4）来自伽马射线暴的高能中微子与MeV中微子间的关联；5）中微子的Majorana/Dirac属性以及惰性中微子、幺正性破坏等超出标准模型的新物理在致密天体内部可能产生的效应。

除了我们所熟悉的太阳和超新星，宇宙中还存在着许多其他类型的天体也能够通过其内部的核反应产生大量MeV到几十个MeV能量的中微子。该课题关注与MeV宇宙中微子相关的各种唯象学问题，这是粒子物理核物理与天文学的一个交叉领域。我们具体的研究围绕一个有趣的问题，MeV宇宙中微子穿过致密天体时的物质效应。为此我们详细讨论了物质势起主导作用时，中微子在传播过程中独特的振荡行为。这方面的研究此前并未被广泛关注，一个重要的原因是这样极端致密的环境在地球上乃至太阳系内都很罕见。但对于天文学的研究对象，情况就完全不同了。非常类似于微引力透镜对光的扭曲和增强，MeV宇宙中微子穿过白矮星等致密天体时，中微子的能谱以及味分布也会由于这种独特的物质效而发生显著的变化。这种“中微子透镜”可能帮助寻找邻近宇宙中利用其他观测手段难以发现的“隐藏”的致密天体。上述的研究成果主要包含在我们发表于Physical Review D的一篇论文中。此外，我们仍在进行后续的一系列研究：理论方面我们正在探讨圈图阶的物质效应、物质密度的陡变等因素是否会产生显著的可观测的效应；与观测相关的，我们正在仔细计算对于JUNO这样量级的探测器，可能观测到的信号强弱，有可能发现的致密天体的类型。