Ninetta Saviano, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2013 :

"Umwandlungen der Neutrinoflavors in astrophysikalischen und kosmologischen Umgebungen hoher Dichte"


"Neutrino Flavor conversions in high density astrophysical and cosmological environments"



Schlagwörter: Neutrino oscillations, supernovae, neutrinos, Cosmology
PACS : 14.60.Pq, 97.60.Bw, 14.60.Lm, 14.60.St,98.80.-k
Volltext
Summary

Kurzfassung

Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der gegenseitigen Umwandlung der Neutrinoflavors für Umgebungen hoher Dichte - Supernovae und das Frühe Universum. Bemerkenswerterweise sind dies die beiden einzigen Fälle, in denen die Neutrinos selbst zum 'Hintergrundmedium' ihrer eigenen Ausbreitung beitragen und es sich somit bei ihren Oszillationen um ein nichtlineares Phänomen handelt. Insbesondere im dichten Kern einer Supernova können Neutrino-Neutrino-Wechselwirkungen unter bestimmten Bedingungen zu überraschenden und kontraintuitiven kollektiven Phänomenen führen, wenn das gesamte System aus Neutrinos kohärent in Form einer einzigen kollektiven Mode oszilliert. In diesem Zusammenhang haben wir gezeigt, dass während der frühen Akkretionsphase der SN (d.h. für Post-Bounce-Zeiten <0.5 s) die Materiedichte hoch genug ist, um die Neutrinodichte zu dominieren und somit die kollektiven Flavorumwandlungen zu unterdrücken. Wir haben diese Unterdrückung durch numerisches Lösen der Gleichungen für die Ausbreitung der Neutrinos charakterisiert und konnten unsere daraus erhaltenen Ergebnisse durch eine Stabilitätsanalyse der Bewegungsgleichungen für Neutrinos bestätigen. Umwandlungen der Neutrinoflavors im Frühen Universum sind ein weiteres faszinierendes Problem, bei dem Stossdämpfung, Brechungseffekte geladener Leptonen und Neutrinoselbstwechselwirkungen mit einbezogen werden müssen. In dieser Arbeit haben wir die Flavorumwandlung aktiv-steriler Neutrinosysteme im Frühen Universum untersucht. Dies wurde motiviert durch die aus kosmologischen Präzisionsmessungen und Oszillationsexperimenten im Labor stammenden Hinweise auf sterile Neutrinos geringer Masse. Durch sorgfältiges Lösen der kinetischen Gleichungen zur Beschreibung der Entwicklung des aktiv-sterilen Ensembles konnten wir den Wert der Relikthäufigkeit steriler Neutrinos ermitteln. Hierbei haben wir eine mögliche primordiale Neutrinoasymmetrie (L > 10-3) berücksichtigt, um die Produktion steriler Neutrinos zu unterdrücken und eine bessere Übereinstimmung zwischen den Hinweisen aus der Kosmologie und aus Laborexperimenten zu erzielen. Abschliessend diskutieren wir die Auswirkung unserer Ergebnisse auf die primordiale Nukleosynthese und auf die Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung basierend auf den Messdaten des Planck-Experiments.

Titel

Kurzfassung

Summary

The topic of this thesis is the study of the neutrino flavor conversions in high-density environments: the supernovae and the the Early Universe. Remarkably, these represent the only two cases in which neutrinos themselves contribute to the 'background medium' for their propagation, making their oscillations a non-linear phenomenon. In particular, in the dense supernova core, the neutrino-neutrino interactions can lead in some situations to surprising and counterintuitive collective phenomena, when the entire neutrino system oscillates coherently as a single collective mode. In this context, we have shown that during the early SN accretion phase (post-bounce times < 0.5 s) the matter density is so high to dominate over the neutrino density, suppressing the collective flavor conversions. We have characterized this suppression numerically solving the neutrino propagation equations. We have also supported our finding with a stability analysis of the neutrino equations of motion. Neutrino flavor conversions in the Early Universe are another fascinating problem involving collisional damping, refractive effects from charged leptons and neutrino self-interactions. In this thesis, we have studied the flavor conversions of active-sterile system of neutrinos in the Early Universe. This study has been motivated by hints for low-mass sterile neutrinos, coming from precision cosmological measurements and laboratory oscillation experiments. We performed an accurate solution of the kinetic equations for the evolution of the active-sterile ensemble in order to determine the relic abundance of sterile neutrinos. We took into account a possible primordial neutrino asymmetry (L > 10-3) in order to suppress the sterile neutrino production and to find a better agreement between the cosmological and laboratory hints. Finally, we discuss the implications of our results on Big-Bang Nucleosynthesis and on the Cosmic Microwave Background from data measured by the Planck experiment.