SN1987A e proprietà del segnale di neutrini Maria Laura Costantini, Università dell’Aquila...
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SN1987A e proprietà del segnale di neutrini
Maria Laura Costantini, Università dell’Aquila
Abstract:
•Generalità sul collasso gravitazionale •Emissione di neutrini nel “delayed scenario”
•Descrizione dei flussi ed effetto delle oscillazioni
•Analisi dei dati di IMB e Kamiokande-II
•Sulla distribuzione angolare dei dati
Supernovae ed emissione di neutrini Nella fase finale del ciclo
evolutivo di stelle di grande massa si forma un core di ferro sostenuto dalla pressione di degenerazione elettronica.
gPePFe
erg532
10)51(5
3
NS
NSNB R
MGE
)(%99 neutrini BEE
e
sunCh
PPMMM
gr
4.1
H
HeC/Si
Effetti del collasso gravitazionale del core:
•esplosione della stella •formazione di una stella di neutroni•copiosa emissione di neutrini:
“Delayed scenario”
enpe """")11) Infall Phase. Δt~0.1 s, ΔE <1% EB
2) Bounce and “Flash”. Δt~ ms, ΔE ~1% EB enpe )2
ic ~1014 g cm-3Rimbalzo, onda d’urto
3) “Accretion”. Δt~ 500 ms?, ΔE ~10% EB ?
Lo shock si arresta. La PNS si accresce
trapping ),(),( AZAZ ee
“Shock revival” ≡ energia depositata dai neutrini+ moti convettivi(?)Esplosione
4) “Cooling”. Δt~ 10 s, ΔE ~90% EB
epne enpe )3
NCantiYYmaNCCC
x
npee
:,)();(:,
iiee
Emissione quasi termica
2 ; ]/exp[ TEEMB
Flussi aspettati
xeeiE
Ezez
E
N
DEF
i
z
ii
i ,,4
)( )1(22
, ,
Descrizione analitica dei flussi integrati nel tempo:
εi è l’energia portata dai neutrini di tipo i
<Ei> è l’energia media dei neutrini di tipo i
I valori attesi per le quantità integrate nel tempo sono:
22/1/;10)102(
2.11/181252
ee x
exe EEE
erg
;MeV
24/)1(/1)1( DdEF(E)EN i che tale
Effetto delle oscillazioni
1 e
•Se la gerarchia di massa è come
in figura:
Nell’ipotesi che i x abbiano flussi simili,
avremo:
xeeeeee
xeeeeee
FPFPFFPFPF
)1()1(
)(3.007.0
13 da dipende
ee
ee
PP
•Se θ13 è grande: 3 e
2
2
eV
eV52
31
1232
21
107
34;105.2
m
m
SN1987AIl burst di neutrini è stato osservato dai rivelatori KamII (11 eventi) e IMB (8 eventi), supportati dell’osservazione di 6 eventi in BST.Esiste una ulteriore osservazione (5 eventi) al Mont Blanc Scintillator Detector (LSD), che precede le altre di ~5 ore.
MeV30 MeV,15
5.0cos,3.0cos
IMBvis
KIIvis
IMBKII
EE
Ipotesi di Inverse Beta Decay
In acqua il segnale dominante prodottodai neutrini da Supernova, assumendole energie tipiche descritte in precedenza, è dato dalla reazione di Inverse Beta Decay:
enpe
Il tasso differenziale di eventi attesi è dato da:
),()()(
EEdE
dEEFN
dEdE
dNe
e
ibdep
e
ibd
Integrando la precedente si ottengono facilmente le distribuzioni differenziali in energia e in angolo.
Confronto con i dati
erg104
MeV 1452
0
e
eEE
Energia media visibile e numero totale di eventi attesi in KII e IMB in funzione di E0.
I valori osservati sono:
MeV
MeV
4.24.15;1111
6.29.31;88
KIIvisKII
IMBvisIMB
EN
EN
Un accordo ragionevole per:
Abbiamo utilizzato la statistica di Smirnov-Cramer- Von Mises per testare la distribuzione angolare sotto varie ipotesi (IBD ed ES).
Distribuzione angolare
)1(23.0/:KIIPer
)(112.0/: IMBPer21.018.0
obsES
obsES
nn
nnibd
obs
ESES
obs
ES
n
n
n
n )1(
Abbiamo confrontato inoltre il risultato di questo test con un’analisi di Maximum Likelihood:
•La distrib. angolare suggerisce la presenza di diversi eventi direzionali
•Il modello predice solo 0.4 (0.1) eventi in KII (IMB) circa - dipende da εx
•Il compromesso tra le due indicazioni dice 0, 1 (forse 2) eventi di ES in KII, e 0, (forse1) eventi di ES in IMB.
E’ interessante considerare sotto quali condizioni sia possibile aumentareil numero di eventi di scattering elastico:
•Una parte significativa dell’energia del collasso (~1.5×1053 erg) è emessa sotto forma di e molto energetici (40 MeV). Questo non aiuta perché a causa delle oscillazioni e → x (in KII, Ndir = 0.6)
• Nell’ambito dello scenario standard, i x potrebbero essere più energetici di quanto si assume. Questo aiuta per lo spettro in energia.
•Oscillazioni: se θ13 è molto piccolo, Pee = 0.3, ma il numero di eventi direzionali nello scenario standard non varia in modo significativo. Invocando invece e molto energetici verrebbe chiamato in causa l’assorbimento su ossigeno, che non si osserva.
ConclusioniAbbiamo rianalizzato il segnale della SN1987A nei rivelatori IMB e KamII alla luce delle oscillazioni a tre neutrini nell’ipotesi di gerarchia normale.
L’ipotesi di inverse beta decay è in ragionevole accordo con i dati, sebbene la distribuzione angolare suggerisca la presenza di uno o più eventi direzionali.
Le informazioni della distribuzione angolare, combinate con le aspettative a priori sul numero di eventi, indicano che i dati comprendono qualche
evento di ES, specialmente se εx è relativamente grande, come suggerito
da calcoli recenti.
Le osservazioni forniscono informazioni utili sui parametri astrofisici del collasso nello scenario standard:
erg10)32( MeV;1612 53 Be EE
E’ di grande interesse osservare eventi di ES ed in generale reazionida neutrini elettronici provenienti dalla prossima Supernova Galattica.
Grazie a tutti per l’attenzione!