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!