Neutrino propagation in dense astrophysical environnements : beyond the standard frameworks

par Amélie Chatelain

Thèse de doctorat en Physique. Physique théorique

Sous la direction de Maria Cristina Volpe.

Le président du jury était Danièle Steer.

Le jury était composé de Maria Cristina Volpe, Danièle Steer, Gail C. McLaughlin, Carlo Giunti, Sacha Davidson.

Les rapporteurs étaient Gail C. McLaughlin, Carlo Giunti.

  • Titre traduit

    Propagation des neutrinos dans les milieux astrophysiques denses : au-delà des approches standards


  • Résumé

    Depuis la découverte des oscillations de neutrinos dans le vide, il a été démontré que la présence d'un environnement de matière peut avoir une grande influence sur les changements de saveurs. L'inclusion des termes d'interactions neutrino-neutrino dans les études des conversions de saveurs dans les environnements astrophysiques denses a créé une activité théorique très intense. Cette thèse entre dans ce cadre en allant au-delà des approches usuelles. Dans notre premier projet, nous explorons analytiquement et numériquement le rôle de la cohérence d'hélicité, en nous basant pour la première fois sur une simulation astrophysique détaillée d'un rémanent de fusion de système binaire d'étoiles à neutrons. Cette étude montre que la cohérence d'hélicité n'engendre pas de conversions, et par ce fait, renforce la validité des équations de champs moyens habituellement utilisées dans les milieux denses. Elle apporte également une meilleure compréhension du mécanisme de nonlinear feedback. Après cela, nous examinons dans une seconde partie le rôle des interactions non-standards entre matière et neutrinos dans le même contexte astrophysique. Nous trouvons que la présence de telles interactions peut créer une nouvelle résonance de type MSW, appelée la résonance "inner", qui peut avoir un couplage intéressant avec la résonance matière-neutrino, et provoque des conversions de saveurs très proches de l'objet central. Nous analysons également le mécanisme d'une telle résonance, et montrons qu'elle se manifeste comme une résonance synchronisée en présence d'un potentiel d'interaction neutrino-neutrino fort. Enfin, notre dernière étude est plus formelle et se focalise sur la question fondamentale de la décohérence par séparation de paquets d'ondes en présence de champs gravitationnels forts. Nous utilisons le formalisme de la matrice densité pour le paquet d'onde du neutrino dans la métrique de Schwarzschild, et dérivons l'expression de la longueur de cohérence. Ce travail constitue la toute première étude dans la description de la décohérence en espace-temps courbe.


  • Résumé

    Since the discovery of neutrino oscillations in vacuum, it has been shown that the presence of a matter background can greatly modify the flavor evolution. The inclusion of neutrino self-interactions in the studies of neutrino flavor conversions in dense astrophysical environments has triggered an intense theoretical activity. This thesis enters into this context by going beyond usual approaches. In our first project, we explore analytically and numerically the so-called helicity coherence, using for the first time a detailed astrophysical simulation of binary neutron star merger remnants. This study shows that helicity coherence cannot lead to conversions and, by doing so, strengthens the validity of the usually-employed mean-field equations in dense media. It also brought a better understanding of the nonlinear feedback mechanism. Having done so, we examine in a second part the role of nonstandard matter-neutrino interactions in the same astrophysical setting. We find that the presence of such interactions creates another MSW-like resonance, called the inner resonance, which can have an interesting interplay with the matter-neutrino resonance, and leads to flavor conversions very close to the central object. We also analyze the mechanism of such a resonance and show that it can be met as a synchronized resonance in the presence of a strong self-interaction potential. Finally, our last study is more formal, as it focuses on the fundamental question of decoherence by wave-packet separation in the presence of strong gravitational fields. We use the density matrix formalism for the neutrino wave packet in the Schwarzschild metric and derive the expression of the coherence length. This work provides with the first study in the description of decoherence in curved space-time.


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