19
 MAGNUS APPROXIMATION FOR NEUTRINO OSCILLATIONS WITH THREE FLAVORS IN MATTER Alexis A. Aguilar-Arévalo in collaboration with J.C. D'Olivo Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México TAUP 2009, Rome, Italy, July 1-5, 2009 Alexis Aguilar-Arévalo, ICN-UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1-5, 2009 1

MAGNUS APPROXIMATION FOR NEUTRINO OSCILLATIONS WITH … · MAGNUS APPROXIMATION FOR NEUTRINO OSCILLATIONS WITH THREE FLAVORS IN MATTER Alexis A. Aguilar-Arévalo in collaboration

  • Upload
    others

  • View
    36

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

   

MAGNUS APPROXIMATION FOR NEUTRINO OSCILLATIONS

WITH THREE FLAVORS IN MATTER

Alexis A. Aguilar-Arévalo

in collaboration with J.C. D'Olivo

Instituto de Ciencias Nucleares,Universidad Nacional Autónoma de México

TAUP 2009, Rome, Italy, July 1-5, 2009

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009  1

   

MAGNUS APPROXIMATION FOR NEUTRINO OSCILLATIONS

WITH THREE FLAVORS IN MATTER

Alexis A. Aguilar-Arévalo

in collaboration with J.C. D'Olivo

Instituto de Ciencias Nucleares,Universidad Nacional Autónoma de México

TAUP 2009, Rome, Italy, July 1-5, 2009

2

Outline:● Magnus expansion● Calculation of 3 evolution operator (1st order)● Examples (exp, pow­law profiles)

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

Magnus expansion

Schrödinger eq. for the evolution operator:

W. Magnus (Commun.Pure Appl.Math. 7, 649, 1954) solution of the form:

The  's are anti­Hermitian  truncating the series at any order yields a unitary approximation for the evolution operator U.

. . .

3

More details: Blanes et al. Phys. Rep. 470: 151–238 (2009)

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

3  mixing

Neutrino state at time t :  

              flavor eigenstate basis              mass eigenstate basis

Relation between amplitudes via mixing matrix U (PMNS):

Standard factorization of PMNS matrix with one CPV phase .

4Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

3  evolution equation

Hamiltonian in the flavor basis:

Interaction with matter incorporated through V(t) ~ (e­ number density)

Diagonalization at any time t defines the instantaneous eigenstate basis:

in which the evolution operator satisfies the equation

It is convenient to work with a real symmetric matrix instead:

5Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

approximate diagonalizationThe real symmetric matrix          has 3 real eigenvalues

Mass Hierarchy  In each region the characteristic equation approximates the exact one:

6

We obtain good approximations by diagonalizing approximate forms of the matrix in two regions: low density (                  )  and high density (                  )

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

approximate diagonalization

x  x       x  x                x

x         x      x     x         x

Via the orthogonal transformation:

7Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

back to the evolution equationBoth diagonalizations have the same form and lead to a U

m(t) of the form:

and a final change of representation:

redefinition: 

8Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

two 2 problems

~0

~0

The Hamiltonian for the problem we solve:

A factorized solution is possible:

MAD = Maximum Angle Derivative

9

~I

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

factorized solution

We solve each 2 factor with a 1st order Magnus approximation (D'Olivo, PRD 45,924,1992)

10Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

analytical approximationsOnly remains to calculate the K

1,3 factors. Evaluate  up to t=T (border V=0):

Perform linear expansion of phase l,h around MAD points:

This integral can be approximately solved as (PRD 45,924,1992):

11Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

average survival probability

Applying the total evolution operator:

For the initial state of a e :

and the (averaged) survival probability has the form:

12Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

exponential & power­law  profiles

Exp:  Ne(t0)= 6.0x1025 cm­3

Pow:  Ne(t0)= 3.5x1034 cm­3

13

Pow  SN M=14 M⊙(mass of ejecta) [Shiguyama, and Nomoto APJ 360, 42, 1990] .

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

exponential profile

14

m221=7.5910­5 eV2,     sin2 2

12= 0.87

m231=2.410­3 eV2,       sin2 2

13= 0.01

SNOBx 8B

Bx 7Be pp pred.

E=10 MeV,m2

31/m221=32,    

sin2 212

/ sin2 213

= 0.87 / 0.01

Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

power­law density profile

E=15 MeV,  m231=2.410­3 eV2,  Tan2

13= 410­4

+ Earth mantle (m~ 4.5g/cm3 L~ 8500 km) [as in Fogli et.al. PRD 65, 073008 (2002)]

Iso­(3 survival probability) contours:

15Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

Summary

We use the Magnus expansion to find an approximate analytical expression for the evolution operator for 3 neutrinos propagating in a medium with arbitrary varying density.

Our solution is given as the product of two evolution operators for 2 neutrino systems, each calculated with a 1st order Magnus approximation.

Our result works well in both, the adiabatic and the non adiabatic regimes.

As an example, we calculated the averaged survival probability for the exponential((r)~exp(­r) and the power­law ((r)~r­3) density profile.

We are working on applying this calculation to other contexts (e.g. realistic Earth matter density profile in the case of atmospheric and accelerator 's). 

16Alexis Aguilar­Arévalo, ICN­UNAM                                       TAUP  2009                                            Rome, Italy, July 1­5, 2009 

   

BACKUPS

   

adding Earth matter effects (mantle­core­mantle)

L~8500 km

m~ 4.5g/cm3 .

Final state substitution [T.K. Kuo and J. Pantaleone, Rev. Mod. Phys., 61, 937 (1989)]:

Independent of the mass hierarchy.

   

Use identity:

Want approximation of integral:

generalized Laguerre polynomials