A mathematical description of the IDSA for supernova neutrino transport, its discretization and a comparison with a finite volume scheme for Boltzmann’s equation

¹ Université de Genève, Section de Mathématiques, 2-4, rue du Lièvre, CP 64, CH-1211, Genève  
² Université de Bretagne-Sud, Laboratoire de Mathématiques, Centre Yves Coppens, Bat. B, BP 573, F-56017 Vannes  
³ Universität Basel, Departement Physik, Klingelbergstrasse 82, CH-4056 Basel  

Abstract

In this paper we give an introduction to the Boltzmann equation for neutrino transport used in core collapse supernova models as well as a detailed mathematical description of the Isotropic Diffusion Source Approximation (IDSA) established in [6]. Furthermore, we present a numerical treatment of a reduced Boltzmann model problem based on time splitting and finite volumes and revise the discretization of the IDSA in [6] for this problem. Discretization error studies carried out on the reduced Boltzmann model problem and on the IDSA show that the errors are of order one in both cases. By a numerical example, a detailed comparison of the reduced model and the IDSA is carried out and interpreted. For this example the IDSA modeling error with respect to the reduced Boltzmann model is numerically determined and localized.

Résumé

Dans cet article, nous donnons une introduction à l’équation de Boltzmann pour le transport des neutrinos dans les modèles de supernovae à effondrement de cœur ainsi qu’une description détaillée de l’Isotropic Diffusion Source Approximation (IDSA) développée dans [6]. De plus, nous présentons le traitement numérique d’un modèle de Boltzmann simplifié basé sur une décomposition en temps de l’opérateur et sur un algorithme de volumes finis ainsi que l’adaptation de la discrétisation de l’IDSA de [6] à notre modèle. Les études de l’erreur de discrétisation faites sur le modèle de Boltzmann simplifié et sur l’IDSA montrent que les erreurs sont d’ordre un dans les deux cas. A l’aide d’un exemple numérique, nous comparons et interprétons en détail les deux modèles. Pour cet exemple, l’erreur de modélisation de l’IDSA par rapport au modèle de Boltzmann simplifié est déterminée numériquement et localisée.