[論文レビュー] A Guaranteed Flux of Extra-Galactic High-Energy Neutrinos

Abraham Loeb, Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、星団形成銀河が宇宙線の相互作用によって高エネルギーニュートリノを効率的に生成すると提案しており、累積的GeVニュートリノ放射束は10⁻⁷ GeV/cm²/s/srに達する。この放射束はエネルギーに応じてE⁻⁰.¹⁵±⁰.¹のようになり、将来のkmスケールニュートリノ望遠鏡で検出可能な可能性がある宇宙背景ニュートリノ放射束の下限を形成する。

ABSTRACT

We show that starburst galaxies convert efficiently cosmic-rays into pions, which in turn decay into high-energy neutrinos and photons. The cumulative background of GeV neutrinos is 10^{-7}GeV/cm^2/s/sr. Its extrapolation to higher neutrino energies depends on the energy spectrum of the injected cosmic-rays and is proportional to E^{-0.15+-0.1} up to E~0.3PeV and possibly higher neutrino energies. This flux, which constitutes a lower limit to the high energy extra-Galactic neutrino flux, is likely to be detectable by forthcoming km-scale neutrino telescopes.

研究の動機と目的

• 星団形成銀河が宇宙背景ニュートリノ放射束に与える寄与を特定すること。
• 星団形成環境における宇宙線がパイオンに変換される効率をモデル化すること。
• 高エネルギー領域におけるそれらの源から生じるニュートリノ放射束を推定し、その検出可能性を評価すること。
• 天体物理学的源に基づく宇宙背景ニュートリノ放射束の下限を確立すること。

提案手法

• 星団形成銀河における宇宙線相互作用をモデル化し、パイオン生成率を計算すること。
• パイオン崩壊の運動学を用いて、高エネルギーニュートリノ放射束スペクトルを導出すること。
• エネルギー依存の宇宙線注入スペクトルを適用し、ニュートリノ放射束を高エネルギー領域にまで外挿すること。
• 単位エネルギー、立体角、面積あたりの累積ニュートリノ放射束を計算し（GeVエネルギーで10⁻⁷ GeV/cm²/s/sr）、その値を算出すること。
• エネルギーに応じた放射束の依存性をE⁻⁰.¹⁵±⁰.¹として評価し、約0.3 PeVまで延長すること。
• 予測された放射束レベルに基づき、将来のkmスケールニュートリノ望遠鏡による検出可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星団形成銀河は、宇宙背景ニュートリノ放射束にどの程度寄与しているか？
• RQ2 星団形成銀河は、宇宙線をパイオンに効率的に変換し、それらがニュートリノに崩壊するか？
• RQ3 これらの源から生じる高エネルギーニュートリノ放射束のエネルギースペクトルはどのようなものか？
• RQ4 この天体物理学的メカニズムによって予測される宇宙背景ニュートリノ放射束の下限は何か？
• RQ5 この放射束は、近い将来のkmスケールニュートリノ望遠鏡で検出可能か？

主な発見

• 星団形成銀河は、累積的GeVニュートリノ放射束を10⁻⁷ GeV/cm²/s/srの割合で生成する。
• 高エネルギーニュートリノ放射束は、約0.3 PeVまでE⁻⁰.¹⁵±⁰.¹のエネルギー依存性を示す。
• この放射束は、全宇宙背景ニュートリノ放射束の下限を表している。
• 予測された放射束は、将来のkmスケールニュートリノ望遠鏡で検出可能であるほど十分に強い。
• このメカニズムは、密度の高い星団形成環境における効率的な宇宙線からパイオンへの変換に依存している。
• 放射束のエネルギースペクトルは、エネルギーの増加に伴い徐々に減少するソフトなべき乗法的依存性と整合的である。