[論文レビュー] Astrophysics Uniquely Enabled by Observations of High-Energy Cosmic Neutrinos

M. Ackermann, M. Ahlers+17 more|Research at the University of Copenhagen (University of Copenhagen)|Mar 11, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用数 47

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー中性ニュートリノ天文学が、最もエネルギーの高い非熱的源のみを独自に探ることを主張し、科学目標、観測所の要件、および宇宙加速器の同定と特徴づけを行うマルチメッセンジャー観測キャンペーンの可能性を概説する。

ABSTRACT

High-energy cosmic neutrinos carry unique information about the most energetic non-thermal sources in the Universe. This white paper describes the outstanding astrophysics questions that neutrino astronomy can address in the coming decade. A companion white paper discusses how the observation of cosmic neutrinos can address open questions in fundamental physics. Detailed measurements of the diffuse neutrino flux, measurements of neutrinos from point sources, and multi-messenger observations with neutrinos will enable the discovery and characterization of the most energetic sources in the Universe.

研究の動機と目的

• 宇宙で最もエネルギーの高い非熱源を直接探る手段としてニュートリノ天文学を動機づける。
• 拡散ニュートリノフラックスと点源ニュートリノフラックスの詳細な測定が、源の発見と環境の特徴付けをどのように可能にするかを概説する。
• ニュートリノ源の特定と理解におけるマルチメッセンジャー観測（光子、宇宙線、重力波）の役割を強調する。
• 今後10年間に科学を前進させるための観測要件と、段階的で複数の観測所からなるアプローチを説明する。

提案手法

• ニュートリノフラックス密度と空間分布を測定するため、低背景の大規模検出器アレイを提唱する。
• ソースカタログの相関とフレーバー別フラックスの測定のため、サブ度の指向精度を強調する。
• ニュートリノトリガーの追観測を可能にするリアルタイム警報とマルチメッセンジャー連携を促進する。
• 結果を検証するため、補完的な空視域と検出機構を備えた段階的な複数観測所アプローチを推奨する。
• ニュートリノ、ガンマ線、宇宙線の相関を用いて源モデルとハドロン加速シナリオを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IceCubeが観測した拡散高エネルギーニュートリノフラックスの原因となる集団と環境は何か？
• RQ2 ニュートリノ観測は、特にガンマ線や重力波と同時観測される場合、最もエネルギーの高い宇宙加速器の源を同定・特徴づけることができるか？
• RQ3 天体源におけるニュートリノ発生機構を、ニュートリノフレーバー比とフレーバー別フラックスはどのように示唆するか？
• RQ4 拡散ニュートリノフラックスと、GRB、TDE、ジェット駆動型超新星などの一過性源との関連は何か？
• RQ5 個々のニュートリノ点源を発見・解決するために必要な観測感度と天空カバレッジの水準はどの程度か？

主な発見

• 天体物理学的ニュートリノは10 TeVから10 PeVの範囲で観測されており、さらなる源の同定を必要とする宇宙フラックスを示している。
• TXS 0506+056のニュートリノとガンマ線の同時観測は、銀河外ニュートリノ源の証拠を提供するが、拡散フラックスのかなりの割合は既知のブレザールからは解明されていない。
• 広範な観測の後、確立されたニュートリノ点源が不足しており、弱い銀河外源の集団を示唆している。これらの源を明らかにするには、マルチメッセンジャー Campaignsと改良された検出器が必要だ。
• ニュートリノフラックスとフレーバー組成の正確な測定を、リアルタイムのマルチメッセンジャー警報と組み合わせることで、高エネルギーニュートリノの源を特定・特徴づけるのに役立つ。
• ニュートリノ、ガンマ線、宇宙線のマルチメッセンジャー相関は、宇宙粒子生成の統一モデルを検証し、源の環境を制約することができる。