双中子星并合热中微子的可探测性及其对中微子物理的启示

我们提出了一种长期策略，利用未来的M吨级水切伦科夫探测器（如Hyper-Kamiokande）探测双中子星并合残骸的热中微子。对于1 Mpc^{-3} Myr^{-1}的并合率（略低于LIGO-Virgo合作通过GW170817得出的中位值），监测<~200 Mpc内>~2500次并合，我们可能能够在~80 Mt年的人类时间尺度运行中探测到单个中微子。尽管中微子事件数量极少，但如果在水中溶解钆，仅分析引力波探测器识别出的每次并合后约1 s内的数据，来自其他中微子源的污染可有效降低至~0.03。如果我们将等待时间增加约1.7倍，污染可能进一步降低至~0.01。即使探测到单个中微子也能确定双中子星并合热中微子发射的能量尺度，并可能强烈支持或不利于残骸大质量中子星的形成。由于引力波的色散关系现在被确切约束为无质量粒子的色散关系，且双黑洞并合对引力子质量的相应限制为<~10^{-22} eV/c^2，中微子相对于引力波的时间延迟可用于对最轻本征态中绝对中微子质量设定<~O(10) meV/c^2的上限。大型中微子探测器将提高可探测性，特别是未来计划的5 Mt Deep-TITAND和10 Mt MICA将允许我们分别每~16年和8年探测一次热中微子，从而提高显著性。