Neutral current supernova neutrino-nucleus scattering off 127I and 133Cs

Abstract

Tutkielmassa tarkasteltiin astrofysikaalisten neutriinojen sirontaa stabiileista jodi- ja caesium ytimistä 127I and 133Cs, tarkoituksena arvioida kyseisten ytimien hyödyntämisen mahdollisuutta neutriinojen havaitsemisessa. Työssä käsiteltävät reaktiot koostuivat elastisista ja epäelastisista heikon neutraalin virran neutriino-ydin ja antineutriino-ydin sironnoista. Reaktioihin osallistuvina neutriinoina käytettiin supernovaräjähdyksissä alkunsa saaneita elektronin neutriinoja. Semileptonisten neutriino-ydin prosessien teoreettinen formalismi käytiin yksityiskohtaisesti läpi, ja keskeisimmät yhtälöt johdettiin tarkasti. Työn kannalta oleellisin suure oli sironnan vaikutusala. Työssä tarkasteltujen parittoman massaluvun ytimien mallintamisessa käytetty malli oli MQPM, joka itsessään rakentuu BCS-mallin ja QRPA:n päälle. MQPM:n soveltaminen parittoman massaluvun ytimien mallintamiseen tapahtui siten tekemällä ensiksi BCS- ja QRPA-laskut parittomien ytimien vieressä oleville parillis-parillisille referenssiytimille (126Te, 128Xe, 132Xe and 134Ba), ja käyttämällä näistä saatuja tuloksia haluttujen MQPM-laskujen tekemiseen. Valitusta ydinmallista saatiin ytimien tilojen aaltofunktiot ja näitä vastaavat energiat, sekä redusoidut neutraalin virran yhden kappaleen siirtymätiheydet, joita käytettiin vaikutusalojen laskemisessa. Työn lopullisina tuloksina olivat energiakeskiarvoistetut kokonaisvaikutusalat, jotka saatiin integroimalla kaksoisdifferentiaalinen vaikutusala kulmakoordinaattien yli, summaamalla ytimen kaikkien mahdollisten lopputilojen yli, ja integroimalla lopuksi saatu vaikutusala ja neutriinojen energiaspektri energian yli. Neutriinojen energiaspektrille käytettiin muunnettua termistä kahden parametrin Fermi-Dirac jakaumaa. Tuloksina saatujen QRPA-spektrien yhteensopivuus vastaavien kokeellisten spektrien kanssa oli kohtalainen, kun taas MQPM-spektreissä oli muutamia poikkeavuuksia, erityisesti spektrien matalaenergiapäässä. Näillä oli minimaalinen vaikutus vaikutusaloihin, joiden tulokset olivat verrattavissa aiempien vastaavanlaisten tutkimuksien tulosten kanssa. Kaiken kaikkiaan saatuihin tuloksiin voidaan suhtautua varovaisen optimistisesti, vaikka ne ovatkin tutkimuskysymyksen kannalta preliminäärisiä. Mikään tuloksissa ei suoranaisesti viitannut siihen, että tutkittuja ytimiä ei voitaisi käyttää neutriinojen havaitsemisessa, mutta aiheeseen liityville jatkotutkimuksille on tarvetta, jotta kysymykseen voidaan vastata tyhjentävästi.

The scattering of astrophysical neutrinos off the stable Iodine and Caesium nuclei 127I and 133Cs was studied to explore the possibility of utilizing them in neutrino detection. The reactions considered in this work were elastic and inelastic weak neutral current neutrino-nucleus and antineutrino-nucleus scatterings. The neutrinos that were included were of the e-flavour and had their origin in supernova core collapse events. The theoretical formalism of semileptonic neutrino-nucleus processes was reviewed in great detail, and several key equations were derived meticulously. The primary quantity of interest was the scattering cross section. The model used for the description of the two odd-A nuclei of interest was the MQPM, which is built upon the BCS model and QRPA. MQPM was thus applied to the odd-A nuclei by first performing the BCS and QRPA calculations on even-even reference nuclei (126Te, 128Xe, 132Xe and 134Ba) adjacent to the odd-A nuclei, and then using these results to run the MQPM calculations for the odd-A nuclei. The nuclear model provided the eigenfunctions and -energies of the nuclei and the reduced neutral current one-body transition densities which entered into the cross section calculations. The ultimate results of this thesis were the energy averaged total cross sections, which were obtained by integrating the double differential cross section over the angular coordinates, summing over all possible final nuclear states and folding the cross section with the neutrino energy spectrum. The neutrino energy spectrum used was a modified two-parameter thermal Fermi-Dirac distribution. The resulting theoretical QRPA spectra were in decent agreement with experimental results, while the MQPM spectra had some discrepancies, particularly at the low-energy end. These had minimal effect on the cross sections, which were found to be in line with earlier similar calculations. Overall, the results were cautiously optimistic, but preliminary. Nothing in them outright implied that the nuclei considered would not be fit for neutrino detection, but further studies are needed for an exhaustive assessment of their suitability for such a role.