Wie viele Neutrinos passieren einen Neutronenstern?

Schnelle Antwort: Neutronensterne sind transparent für ihre eigenen thermisch erzeugten Neutrinos und alle anderen Neutrinos mit Energien unter einigen MeV, sobald sie bei Temperaturen von$\leq 10^{10}$K. Jetzt weiterlesen...

Die Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie in einem Neutronenstern wird stark unterdrückt, wie dmckee andeutet.

Sowohl die baryonische (Neutronen und Protonen) als auch die leptonische (Elektronen und möglicherweise Myonen) sind stark entartet. Die Fermi-Energien betragen mehr als ein GeV für Neutronen und vielleicht mehrere zehn MeV für Elektronen. Andererseits haben die Neutrinos, die innerhalb des Neutronensterns produziert werden, thermische Energien - bei$\sim 10$MeV, wenn der Neutronenstern geboren wird, aber schnell abnimmt ... aufgrund der Neutrino-Emission!

Ich denke, es gibt dann zwei Dinge, die hier vor sich gehen. Erstens sind die Wirkungsquerschnitte für Neutrino-Wechselwirkungen energieabhängig und nehmen mit der Neutrinoenergie schnell ab, wenn der Neutronenstern abkühlt.

Zweitens können Neutrinos nur dann mit einem Teilchen wechselwirken, wenn sie dem Teilchen einen Teil ihrer Energie abgeben (Streuung) oder wenn sie neue Teilchen erzeugen können (z. B. inverser Beta-Zerfall), aber dies ist schwierig, wenn alle verfügbaren Energie- und Impulszustände für Teilchen vorhanden sind voll sind, wie bei entarteten Fermiongasen. Im Wesentlichen nur Partikel darin$\sim kT$der Fermi-Energie partizipieren können, was in einem stark entarteten Gas nur ein sehr kleiner Bruchteil ist$E_F \gg kT$per Definition. Damit sind die Raten sogar noch niedriger als die bereits geringen Wechselwirkungsraten zwischen Neutrinos und Baryonen/Leptonen.

Darüber hinaus werden Neutrino-Absorptionsereignisse an einzelnen Neutronen blockiert, da Energie und Impuls nicht gleichzeitig durch das Elektron und Proton erhalten werden können, die an der Spitze ihrer jeweiligen Fermi-Meere erzeugt werden. Stattdessen erfordern solche Reaktionen ein zusätzliches Neutron eines dritten Körpers, was die Effizienz stark verringert und, da alle Reaktanten und Produkte in der Nähe ihrer Fermi-Energien liegen müssen, den Wirkungsquerschnitt mit der Temperatur schnell abnehmen lässt.

Das Nettoergebnis ist, dass die Proto-Neutronensterne und sehr junge Neutronensterne für die sehr undurchsichtig sind$>$MeV Neutrinos produzieren sie bei$T>10^{10}$K (der Vorgang des Einfangens von Neutrinos ist im Kern einer Supernova sehr wichtig), da die Neutrinos relativ hohe Energien haben und die verschiedenen Fermionenarten nicht vollständig entartet sind (außerdem gibt es im Kern einer Supernova mehr Elektronen mit höheren Neutrinoquerschnitte). Aber wenn der Neutronenstern abkühlt, so dass die Neutrinoenergien unter ein MeV fallen (selbst nach einer Minute) und die konstituierenden Fermionen stark entartet werden, dann kann man mit Sicherheit von einer Neutrinotransparenz ausgehen.

Neutronensterne haben eine äußere Kruste mit nicht entarteten Kernen, und ich würde erwarten, dass diese eine Quelle der Neutrino-Opazität sind. Die Dicke beträgt etwa 1 km und die Dichte etwa$10^{15}$kg/m$^3$. Dies liefert eine Säulendichte von Nukleonen von etwa$10^{45}$M$^{-2}$. MeV-Neutrino-Nukleon-Querschnitte sind ungefähr$10^{-48}$M$^2$, also ist das Krustenmaterial selbst für MeV-Neutrinos nahezu transparent.

Einige schöne Berechnungen, die das, was ich oben skizziert habe, unterstützen, erscheinen in Haensel & Jerzak (1987) . Sie berücksichtigen sowohl Absorptions- als auch Streuprozesse. Bei$5\times 10^{10}$K beträgt die mittlere freie Weglänge zur Streuung etwa 1 km für wenige MeV-Neutrinos (vgl. einen Neutronensternradius von 10 km), jedoch mit einer starken inversen Energieabhängigkeit. Wenn der Neutronenstern abkühlt, wird die mittlere freie Weglänge für Neutrinos mit einer ähnlichen$E_{\nu}/kT$steigt stark an$T^{-3}$so dass der Stern zum Zeitpunkt seiner Ankunft für seine eigenen thermischen Neutrinos vollständig transparent ist$10^{10}$K.

Die Absorption ist etwas wichtiger als die Streuung bei Energien von 1 MeV und$T= 5\times10^{10}$K - erzeugt eine mittlere freie Weglänge von etwa 10 km, aber seine Bedeutung nimmt beim Abkühlen ab$T^{4}$, also wieder völlige Transparenz gegenüber thermischen Neutrinos durch$10^{10}$K.