相对论性质子和强磁场的碰撞：极高能中微子和光子的产生及应用

论文摘要

极高能中微子是能量范围在TeV（1012eV）以上的中微子。位于南极的Ice-Cube 中微子探测器建成至今已探测到 80 多个能量介于 100 TeV 和 10 PeV 之间的极高能中微子,并且这些极高能中微子大多数都是来自于太阳系外的天体物理源。在天体物理源中,极高能中微子的两个主要产生途径为宇宙射线和”靶”（质子或光子）发生反应并产生极高能的光子和中微子,即pp/pγ过程。在本篇论文中,我们采用了 FWW近似的方法,在质子的静止系中将磁场比作“虚光子”,并计算得到了宇宙射线和磁场之间的“碰撞”产生极高能中微子和光子的过程。我们将其命名为pB过程。当质子的洛伦兹因子和磁场强度的乘积γpB（?）5 × 1018 G时,pB过程达到反应阈值,质子能量损失率迅速上升超过光子同步辐射。在阈值以上,pB过程引起的质子能量损失率比由于同一磁场中质子的光子同步辐射高约两到三个数量级。同时,我们计算了 pB过程产物中微子、光子谱,讨论了其在天体物理环境中,如在白矮星大气,中子星或恒星质量黑洞等环境中的应用。并将FWW近似方法拓展到重核子的光致分解,得到类似的“磁致分解”效应。同时,我们重点讨论了 pB过程在双黑洞并合事件中的应用。黑洞并合事件是由advanced-LIGO首次发现,对于恒星级双黑洞的并合,在并合前周围气体已经被吸积干净,很难产生足够强能被观测到的电磁和中微子辐射。但是新形成黑洞周围少量的等离子体可以在短时间内支撑一个强度为1011 G的磁场,由于曲率辐射的限制,质子的能量最高可以加速到～1017eV。在最乐观的情况中,如果不考虑质子在加速中的能量损失,质子可以被加速至～1020eV。加速后,质子能量损失的主导过程为pB过程,并且可以产生能量～10 EeV的中微子。对于Advanced-LIGO看到的事件GW150914来说,中微子的流量低于IceCube的探测极限。但是来自距离（?）5Mpc的近源的中微子流量可被IceCube看到,来自黑洞并合事件的弥散中微子背景能够被未来的IceCube-Gen2探测到。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 极高能中微子简介
•   1.1 序言
•   1.2 中微子天体物理
•     1.2.1 太阳中微子
•     1.2.2 超新星爆发中微子
•     1.2.3 大气中微子
•   1.3 IceCube中微子探测器
•     1.3.1 IceCube探测器简介
•     1.3.2 IceCube探测器的探测原理
•     1.3.3 IceCube探测器的主要结果
•   1.4 极高能中微子的产生机制和天体物理来源
•     1.4.1 极高能中微子的产生机制
•     1.4.2 极高能中微子的天体物理来源
• 第2章 pB过程
•   2.1 FWW方法简介
•   2.2 半定量分析
•   2.3 pB过程的其他研究
•     2.3.1 半经典近似方法
•     2.3.2 量子场论方法
•   2.4 pB过程的具体计算
•     2.4.1 瞬时静止系中虚光子的能谱
•     2.4.2 质子的能量损失率
•   2.5 结果讨论
• 第3章 次级中微子光子的谱、应用和推广
•   3.1 π介子的谱
•   3.2 中微子和光子的谱
•   3.3 天体物理环境中产生的中微子谱
•   3.4 磁致分解过程
• 第4章 来自黑洞并合事件的极高能中微子
•   4.1 黑洞并合事件简介
•   4.2 恒星级黑洞并合后的磁场
•   4.3 黑洞的间隙模型和质子的加速
•     4.3.1 黑洞的间隙模型
•     4.3.2 质子的加速
•   4.4 高能中微子的产生:pB过程
•   4.5 产物中微子的流量
•     4.5.1 中微子能量
•     4.5.2 来自个源的中微子流量
•     4.5.3 弥散的中微子流量
•   4.6 讨论和结论
• 第5章 总结
•   5.1 主要结论
•   5.2 进一步的研究与展望
• 参考文献
• 附录A 光介过程的截面
•   A.1 共振部分的截面
•   A.2 直接过程的截面
•   A.3 多π介子过程的截面
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 史欣玥

导师: 袁业飞

关键词: 中微子,近似,引力波

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P141.8

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000045

总页数: 103

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