[論文レビュー] A Search for IceCube Sub-TeV Neutrinos Correlated with Gravitational-wave Events Detected By LIGO/Virgo

Rasha Abbasi, M. Ackermann+388 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、2015年から2020年までの間、LIGO/Virgoが検出した重力波イベントと相関するIceCubeのサブテルボニュートリノ放射を探索した。90件の重力波イベントに対する時間的・方向的一致解析の結果、顕著なニュートリノ過剰は観測されず、さまざまな源タイプにおける1–100 GeVのニュートリノフラクチュエーションに対する上限が設定された。特に、二重ブラックホールおよび中性子星–ブラックホール合体の上限が最も厳密であった。

ABSTRACT

The LIGO/Virgo collaboration published the catalogs GWTC-1, GWTC-2.1 and GWTC-3 containing candidate gravitational-wave (GW) events detected during its runs O1, O2 and O3. These GW events can be possible sites of neutrino emission. In this paper, we present a search for neutrino counterparts of 90 GW candidates using IceCube DeepCore, the low-energy infill array of the IceCube Neutrino Observatory. The search is conducted using an unbinned maximum likelihood method, within a time window of 1000 s and uses the spatial and timing information from the GW events. The neutrinos used for the search have energies ranging from a few GeV to several tens of TeV. We do not find any significant emission of neutrinos, and place upper limits on the flux and the isotropic-equivalent energy emitted in low-energy neutrinos. We also conduct a binomial test to search for source populations potentially contributing to neutrino emission. We report a non-detection of a significant neutrino-source population with this test.

研究の動機と目的

• コンパクト二重星合体（BBH、NSBH、BNS）がIceCubeで検出可能な高エネルギーニュートリノを生成するという仮説を検証すること。
• 合体するコンパクト天体に伴う重力波トランジエンスと関連して、サブテルボニュートリノが生成されるかどうかを調査すること。
• 90件のLIGO/Virgoトリガーを対象とした時間的・方向的一致解析を通じて、重力波イベントからのニュートリノフラクチュエーションの上限を導出すること。
• 特に高質量または遠方のイベントにおける星質量ブラックホールおよび中性星合体からのニュートリノ放射の上限を改善すること。
• 観測されたニュートリノデータが、コンパクト二重星合体におけるニュートリノ生成の理論的モデルと整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• GWTC-2およびGWTC-3カタログに含まれる、天の川位置が明確に特定され、距離が既知の90件のLIGO/Virgo重力波イベントを選定した。
• 各重力波トリガーの周囲1000秒間の時間窓内において、IceCubeの高エネルギーニュートリノデータと時間的・方向的一致をとった探索を実施した。
• GRECO天文学データセットを用いて、各重力波イベントの天の川位置と時間窓内に存在するニュートリノイベントを同定した。
• 信号なし（帰無仮説）の下でポisson統計を用いて、各イベントごとのニュートリノフラクチュエーション（E²Fν+ν̄）の上限を計算した。
• イベント間の結果を統合し、距離および天の川領域を考慮した上で、イベントタイプ（BBH、NSBH、BNS）ごとの中央値上限を導出した。
• ニュートリノエネルギースペクトルの仮定とバックグラウンド除去の補正を適用し、信頼性の高いフラクチュエーション上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクト二重星合体は、その重力波信号と相関する検出可能なサブテルボニュートリノ放射を生成するか？
• RQ2 IceCubeデータに基づき、さまざまなタイプのコンパクト二重星合体（例：BBH、NSBH、BNS）からのニュートリノフラクチュエーションの上限は何か？
• RQ3 観測されたニュートリノ上限は、ブラックホールまたは中性星合体におけるニュートリノ生成の理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ4 期待されるバックグラウンドを超えて、重力波イベントと一致する顕著なニュートリノ過剰は存在するか？
• RQ5 IceCubeは、高赤方偏移または高質量のコンパクト二重星合体からのニュートリノ放射に対してどの程度の感度を持つのか？

主な発見

• 解析対象の90件の重力波イベントすべてに対して、顕著なニュートリノ過剰は観測されなかった。
• 全イベントにわたるニュートリノフラクチュエーション（E²Fν+ν̄）の中央値上限は2.4 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²であり、個々の上限は1.18から4.88 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²の範囲にあった。
• 二重ブラックホール（BBH）イベントでは、GW190413 134308（2.46 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²）およびGW190527 092055（4.32 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²）で最も厳しい上限が得られた。
• 中性星–ブラックホール（NSBH）イベントでは、GW200115 042309の上限が2.56 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²であり、NSBHイベントの中で最小であった。
• Eiso（等価放射エネルギー）に対する最も厳しい上限は、GW200115 042309で1.44 × 10⁵³ ergであった。これは、このNSBH合体からのニュートリノ放射が最小であることを示唆している。
• 本分析により、特に高質量または遠方のイベントに対して、サブテルボニュートリノ放射に関するこれまでで最も感度の高い制約が得られた。