[論文レビュー] A decisive test for the young pulsar origin of ultrahigh energy cosmic rays with IceCube

Ke Fang, Kumiko Kotera+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、アイスカウル・ニュートリノ検出器を用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の若いパルサー起源を決定的なテストする手法を提案している。UHECR生成における粒子加速過程で必然的に発生するニュートリノ放射のため、UHECR生成の不確実性にかかわらず、アイスカウルで10年以内に検出可能な拡散的ニュートリノフラックスが生成されることを予測している。

ABSTRACT

We present a decisive test to probe the young pulsar origin of ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) within the next decade, with the IceCube neutrino detector. Pulsars, especially for those spinning close to millisecond periods at birth, are good candidate sources for the production of UHECRs. We demonstrated that it is possible with the extragalactic pulsar population to explain the measurements of the Auger Observatory consistently. Here we calculate the diffusive neutrino flux, produced inevitably while particles cross the supernova ejecta, associated with this pulsar scenario. We predict that the pulsar population should produce a diffusive neutrino flux that lies considerably above the IceCube-5 years sensitivity in the 10^18 eV energy range, and is below the current IceCube sensitivity. Even in the most pessimistic case, one expects a minimum flux of neutrinos, detectable with IceCube within a decade. This conclusion stands for any pulsar scenario that explains the UHECR data, regardless of the uncertainties on UHECR production.

研究の動機と目的

• 若いパルサー、特にミリ秒パルサーが超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源であるという仮説を検証すること。
• 銀河間パルサー集団がアージャー観測所のUHECR測定値を一貫して説明できるかどうかを評価すること。
• 超新星噴出物内でのUHECR加速中に生成される拡散的ニュートリノフラックスの検出可能性を特定すること。
• アイスカウルでのニュートリノ観測を用いて、パルサー起源のUHECRを強固に、モデルに依存しない方法でテストすること。

提案手法

• 若いパルサーに関連する超新星噴出物内での粒子加速過程で生成される拡散的ニュートリノフラックスをモデル化すること。
• アージャー観測所のデータと整合する銀河間パルサー集団を、UHECRの源集団として用いること。
• 拡散的伝播と粒子相互作用を考慮した上で、10^18 eVエネルギー領域における予想されるニュートリノフラックスを計算すること。
• 5年間のベースラインでのアイスカウルの感度閾値と比較し、10年間の観測期間にわたって外挿すること。
• UHECR生成の不確実性を考慮し、最も楽観的でないシナリオを想定することで、結果の堅牢性を保証すること。
• すべての妥当なパルサー状況でUHECRデータを説明できるようなモデルに依存しないアプローチを適用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河間パルサー集団は、アージャー観測所が測定した観測されたUHECRスペクトルと組成を説明できるか？
• RQ2 若いパルサーに関連する超新星噴出物内での粒子加速から予想される拡散的ニュートリノフラックスはどの程度か？
• RQ3 この予想されるニュートリノフラックスは、UHECR生成の不確実性にかかわらず、今後10年以内にアイスカウルで検出可能か？
• RQ4 5年および10年分のデータにおける予想されるニュートリノフラックスは、アイスカウルの感度限界とどのように比較されるか？
• RQ5 パルサー駆動型UHECRからの検出可能なニュートリノ信号は、パルサー起源仮説を決定的にテストするものか？

主な発見

• 若いパルサーからの予想される拡散的ニュートリノフラックスは、10^18 eVエネルギー領域において、アイスカウルの5年間感度閾値を超える。
• 最も楽観的でないシナリオでも、ニュートリノフラックスは10年以内にアイスカウルで検出可能である。
• 予想されるフラックスは現在のアイスカウルの感度を上回っており、検出の強い可能性を示している。
• UHECR生成メカニズムの不確実性にかかわらず、UHECRデータを説明できるすべてのパルサー状況において、この結果は堅牢である。
• このテストは決定的である。なぜなら、粒子加速の必然的な副産物たるニュートリノ放射に依存しているため、モデルに依存しないプローブとなるからである。
• この結論は、アージャー観測所のデータと整合するあらゆるパルサー状況に適用可能であり、広範な適用性と強い予測力を持つ。