THEORY AND PHENOMENOLOGY OF SUPERNOVA NEUTRINOS Cecilia - PowerPoint PPT Presentation

THEORY ¡AND ¡ PHENOMENOLOGY ¡OF ¡ SUPERNOVA ¡NEUTRINOS ¡ Cecilia ¡Lunardini ¡ Arizona ¡State ¡University ¡

Topics ¡ ¡ • IntroducEon ¡ • Status ¡and ¡updates ¡ ¡ • Numerical ¡simulaEons ¡ • OscillaEons ¡ • Diffuse ¡flux ¡and ¡mini-­‑bursts ¡ • Discussion: ¡future ¡direcEons ¡

INTRODUCTION ¡

Core ¡collapse ¡supernovae ¡ ArEst’s ¡impression ¡of ¡SN2006gy ¡– ¡credit: ¡NASA/GeUy ¡Images ¡

Core ¡collapse ¡: ¡a ¡neutrino ¡event ¡ • M ¡> ¡8 ¡M sun ¡: ¡death ¡by ¡core ¡collapse ¡ ¡ • GravitaEonal ¡collapse ¡ à ¡bounce ¡and ¡shock ¡ à ¡explosion ¡ • E ¡≈ ¡10 53 ¡ergs ¡emiUed, ¡99% ¡in ¡neutrinos ¡& ¡anEneutrinos ¡of ¡all ¡ flavors ¡ • Neutrinos ¡are ¡ direct ¡messengers ¡ ¡ • Diffuse ¡from ¡inner ¡50-­‑200 ¡Km ¡ • Only ¡unambiguous ¡tracers ¡of ¡core ¡collapse ¡

The ¡ only ¡place ¡today ¡where ¡neutrinos… ¡ • Produce ¡a ¡macroscopic ¡force ¡ ¡ • Re-­‑launch ¡a ¡stalled ¡shock ¡ • Are ¡thermalized ¡ ¡ • Undergo ¡four ¡stages ¡of ¡oscillaEons ¡ • All ¡masses ¡and ¡mixings ¡contribute ¡ ¡ • Have ¡observable ¡interacEon ¡with ¡each ¡other ¡ • OscillaEon ¡effects ¡ ¡

• Quasi-­‑thermal ¡spectra ¡ ¡ h E i ⇠ 9 � 18 MeV ¡ • Hierarchy ¡of ¡energies ¡ • Different ¡coupling ¡to ¡ maUer ¡ à ¡different ¡ decoupling ¡radii ¡ h E i e . h E i ¯ e . h E i x ( x = µ, τ ) Figure ¡from ¡Fogli ¡et ¡al., ¡JCAP ¡0504 ¡(2005) ¡002 ¡

Phases ¡of ¡neutrino ¡emission ¡ neutronizaEon ¡ 18 M � e − + p → n + ν e 10 54 ν e accreEon ¡ 10 53 L ν β (erg s − 1 ) s ν x cooling ¡ 10 52 ¯ ν e 10 51 10 50 10 50 .0 0.001 01 0.01 0.01 0.1 0.1 1 1 10 10 0.001 .0 t (s) time � s � s Fischer ¡et ¡al., ¡A&A ¡517 ¡(2010) ¡ Odrzywolek ¡& ¡Heger, ¡Acta ¡Phys. ¡Polon. ¡41 ¡(2010) ¡ .0 .0 � MeV .0 .0 .0 01 .01 .1 1 10 e � s

NUMERICAL ¡SIMULATIONS ¡ Neutrino ¡fluxes ¡

Neutrino-­‑driven ¡explosion ¡in ¡ mul--­‑D ¡ • MulE-­‑dimensionality ¡is ¡ crucial ¡ • ConvecEon, ¡shock ¡ instabiliEes, ¡… ¡ ¡ • Second ¡generaEon ¡2D ¡ (axisymmetric) ¡ simulaEons ¡ ¡ • Ab-­‑iniEo, ¡self-­‑consistent, ¡ spectral ¡neutrino ¡transport ¡ • t<1 ¡only ¡available ¡ from ¡M. ¡Liebendörfer’s ¡homepage ¡ ¡

Paper Type D Outcome t end ( s ) Mueller et al. (2012) variable Ed- 2D E exp � 0 . 2 foe , E rec � 0 . 2 foe 0 . 8 ν dington factor method Janka (2013) variable Ed- 3D No explosion 0 . 35 ν dington factor ν method Takiwaki et al. IDSA ν scheme 2,3D E exp � 0 . 1 foe in 3D < 0 . 4 in 3D (2013) Bruenn et al. (2013) RbR+ approxima- 2D No explosion for 25 M � success 0 . 5 − 0 . 8 tion for 12,15,20 M � . Explosion energy E exp ≃ 0 . 3 − 0 . 4 foe Couch & Ott (2013) neutrino leakage 3D Core perturbations help shock re- � 0 . 3 scheme vival Couch & O’Connor neutrino leakage 2,3D 3D explodes less easily than 2D < 0 . 5 (2013) scheme Suwa et al. (2010) IDSA ν scheme 2D E exp � 0 . 1 foe 0 . 5 Suwa (2013) IDSA ν scheme 2D ∼ 0 . 1 foe 70 Dolence et al. (2014) MGFLD 2D No explosion ∼ 0 . 6 s Couch (2013) neutrino heating 1,2,3D 3D explodes less easily than 2D CalculaEons ¡with ¡“realisEc” ¡neutrino ¡transport, ¡from ¡Papish, ¡Nordhouse ¡and ¡Soker, ¡ ¡arXiv:1402.4362 ¡

Towards ¡3D ¡: ¡S tanding ¡A ccreEon ¡S hock ¡I nstability ¡ ¡ • DeformaEon, ¡sloshing ¡of ¡ 4000 IceCube shock ¡front ¡ ¡ 10 kpc 3000 • Affects ¡ ν ¡emission ¡rate ¡ Counts/bin e 2000 Blondin, ¡Mezzacappa, ¡DeMarino, ¡ e 20 kpc 1000 ApJ. ¡584 ¡(2003) ¡ Background Scheck ¡et ¡al., ¡A&A. ¡477 ¡(2008) ¡ 0 ! ! "!! #!! $!! %!! &!! "#!! 234)*5467 • Strong ¡in ¡3D ¡with ¡detailed ¡ Tamborra ¡et ¡al., ¡arXiv:1307.7936 ¡ neutrino ¡transport ¡ Tamborra ¡et ¡al., ¡arXiv:1307.7936 ¡ See ¡also ¡Lund ¡et ¡al., ¡PRD ¡82, ¡(2010), ¡ PRD ¡86, ¡ ¡(2012) ¡

Lepton-­‑number ¡ E mission ¡S elf-­‑sustained ¡ A symmetry ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡has ¡(quasi-­‑)dipolar ¡form ¡ ¡ N ( ν e ) − N (¯ ν e ) • Possible ¡implicaEons ¡on ¡r-­‑process, ¡oscillaEons ¡ Tamborra ¡et ¡al.,arXiv:1402.5418 ¡

PHENOMENOLOGY ¡OF ¡ OSCILLATIONS ¡

Unique ¡interplay ¡of ¡frequencies ¡ Neutrino)oscilla.ons) Star ω 31 ' λ ω 21 ' λ µ � λ 10 8 g cm -3 10 3 g cm -3 10 g cm -3 Earth vacuum � low � (solar) MSW � low � (solar) MSW Neutrino-neutrino � high � MSW ω ij = ∆ m 2 ij / 2 E • KineEc ¡ √ • ν -­‑e ¡potenEal ¡ 2 G F n e ∝ R − 3 λ = p • ν-­‑ν ¡ potenEal ¡ 2 G F n e ff / R − 4 µ ' ν Wolfenstein, ¡PRD ¡17 ¡1978, ¡Mikheyev ¡& ¡Smirnov, ¡Yad. ¡Fiz. ¡42, ¡1985 ¡ ¡

Vacuum ¡+ ¡maUer ¡+ ¡self-­‑interacEon ¡ H E = H vac + H m E + H νν E E − ω 21 2 , + ω 21 ⇣ ⌘ U † , H vac = U diag 2 , ω 31 E H m = √ 2 G F diag( N e , 0 , 0) Z √ ¡θ ¡angle ¡between ¡ ¡ dE 0 ( ρ E 0 − ¯ H νν E = 2 G F ρ E 0 )(1 − cos θ ) incident ¡momenta ¡ ∆ m 2 31 > 0 normal hierarchy , NH ∆ m 2 31 < 0 inverted hierarchy , IH • Nu-­‑nu ¡interacEon ¡: ¡non-­‑linear, ¡collecEve ¡effects ¡ • Spectral ¡splits/swaps, ¡no ¡general ¡soluEon ¡ ¡ Seminal ¡works: ¡Duan, ¡Fuller ¡& ¡Qian, ¡PRD74 ¡(2006), ¡Duan ¡et ¡al., ¡PRD74 ¡(2006) ¡

Contributors ¡by ¡affiliaEon ¡ ¡ UC ¡San ¡Diego, ¡U. ¡Minnesota, ¡Los ¡Alamos ¡Natl. ¡Lab., ¡ Northwestern ¡U., ¡North ¡Carolina ¡State, ¡U. ¡of ¡Washington ¡ (INT), ¡Ohio ¡State ¡U., ¡U. ¡Wisconsin, ¡U. ¡of ¡New ¡Mexico ¡ ¡ Tata ¡Inst. ¡, ¡Harish-­‑Chandra ¡Res. ¡Inst., ¡Saha ¡Inst. ¡ ¡ APC ¡Paris, ¡Valencia ¡U., ¡Max ¡Planck ¡Munich, ¡Bari ¡U., ¡INFN ¡ Bari, ¡Hamburg/DESY, ¡GRAPPA ¡Amsterdam, ¡INR ¡Moscow, ¡ ICTP ¡Trieste ¡ ¡

Linearized ¡stability ¡analysis ¡ • Linearized ¡equaEon ¡for ¡flavor-­‑changing ¡parameter ¡ • |S| 2 ¡+|s| 2 ¡=1, ¡ ¡|S| 2 ¡<<1 ¡, ¡θ<<1 ¡ ¡ ¡ P ( ν e → ν e ) = 1 ✓ ◆ s S 2(1 + s ) − 1 ≤ s ≤ 1 S swap = S ∗ − s ¡ Z d Γ 0 h √ i uu 0 cos( ϕ − ϕ 0 ) i ∂ r S = ( ω + u ¯ u + u 0 − 2 g 0 S 0 λ ) S − µ ¡ • Solve ¡eigenvalue ¡equaEon ¡for ¡frequency: ¡ ¡ S = Q Ω e i Ω t ( < 0 instability , strong conversion = m ( Ω ) = > 0 damping Banerjee, ¡Dighe, ¡Raffelt, ¡PRD ¡84, ¡(2011), ¡Sarikas ¡et ¡al., ¡PRD ¡85 ¡(2012), ¡arxiv:1109.3601 ¡ ¡

Pre-­‑cooling ¡phases ¡ • NeutronizaEon ¡peak, ¡accreEon ¡phase ¡(Fe-­‑core ¡SNe) ¡ • High ¡maUer ¡density ¡suppresses ¡collecEve ¡effects ¡ à ¡ MSW-­‑ driven ¡oscilla-ons ¡dominate ¡ Chakraborty ¡et ¡al., ¡PRL ¡107, ¡(2011), ¡PRD ¡84 ¡(2011) ¡ Dasgupta, ¡O’Connor ¡& ¡OU, ¡PRD85 ¡(2012) ¡ ¡ • sin 2 ¡θ 13 ¡= ¡0.02 ¡drives ¡ adiaba-c ¡MSW ¡resonance ¡ • complete ¡flavor ¡permutaEon ¡ • neutrino ¡channel ¡for ¡NH ¡ à ¡hoUer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡spectrum ¡ ν e • anEneutrino ¡channel ¡for ¡IH ¡ à ¡hoUer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡spectrum ¡ ¯ ν e Dighe ¡& ¡Smirnov, ¡PRD ¡62 ¡(2000), ¡ ¡CL ¡& ¡Smirnov, ¡JCAP ¡0306 ¡(2003) ¡

Robust ¡signatures ¡of ¡mass ¡hierarchy ¡ • NH ¡: ¡disappearance ¡of ¡ 2.0 0 � � Ν x 0 � 0.8 � Ν e Ν e neutronizaEon ¡peak ¡ Ν x 1.5 Ν e � Ν x Gil ¡Botella ¡& ¡Rubbia, ¡JCAP ¡0310 ¡(2003) ¡ Kachelriess ¡et ¡al., ¡PRD71 ¡(2005) ¡ y=12.5 ¡MeV/E ¡ � E 2 F Ν 1.0 • OscillaEons ¡in ¡the ¡Earth ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ only ¡for ¡NH ¡ ¯ ν e 0.5 • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ only ¡for ¡IH ¡ ¡ ¡ ν e • 5-­‑10% ¡effect, ¡needs ¡good ¡ 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 energy ¡resoluEon ¡ y 2.0 Borriello ¡et ¡al., ¡Phys.Rev. ¡D86 ¡(2012) ¡ ¡ 1.5 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0