[論文レビュー] Constraints on Populations of Neutrino Sources from Searches in the Directions of IceCube Neutrino Alerts

R. Abbasi, M. Ackermann+383 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、アイスカイブ・ニュートリノアラートと潜在的天体物理学的瞬時的変動源の間の方向相関を分析することで、高エネルギーニュートリノ源の集団を制約する。複数の timescale および源モデルにおける統計的有意性検定を用い、背景を超える顕著な過剰発光は検出されず、特に10–100 TeVの範囲における一時的および安定的源タイプの等価放射光度に対する強い上限が得られた。

ABSTRACT

Beginning in 2016, the IceCube Neutrino Observatory has sent out alerts in real time containing the information of high-energy ($E \gtrsim 100$~TeV) neutrino candidate events with moderate-to-high ($\gtrsim 30$%) probability of astrophysical origin. In this work, we use a recent catalog of such alert events, which, in addition to events announced in real-time, includes events that were identified retroactively, and covers the time period of 2011-2020. We also search for additional, lower-energy, neutrinos from the arrival directions of these IceCube alerts. We show how performing such an analysis can constrain the contribution of rare populations of cosmic neutrino sources to the diffuse astrophysical neutrino flux. After searching for neutrino emission coincident with these alert events on various timescales, we find no significant evidence of either minute-scale or day-scale transient neutrino emission or of steady neutrino emission in the direction of these alert events. This study also shows how numerous a population of neutrino sources has to be to account for the complete astrophysical neutrino flux. Assuming sources have the same luminosity, an $E^{-2.5}$ neutrino spectrum and number densities that follow star-formation rates, the population of sources has to be more numerous than $7 imes 10^{-9}~ extrm{Mpc}^{-3}$. This number changes to $3 imes 10^{-7}~ extrm{Mpc}^{-3}$ if number densities instead have no cosmic evolution.

研究の動機と目的

• アイスカイブ高エネルギーニュートリノアラートと天の川上空の潜在的天体物理学的瞬時的変動源との間の方向相関を探索すること。
• 統計的有意性検定を用いて、一時的および安定的源集団の等価放射光度を制約すること。
• 観測されたニュートリノイベントの方向に基づいて、さまざまな源モデル（例：短時間バースト、長期間持続源）の検出可能性を評価すること。
• 源の挙動およびスペクトル指数に関するさまざまな仮定の下で、源集団密度および放射光度の上限を導出すること。
• 複数の timescale にわたり、既知のアラート事象との方向的一致性を分析することで、宇宙ニュートリノ背景の制約を改善すること。

提案手法

• 分析は、500秒および1日という timescale において、アイスカイブ・ニュートリノアラートの方向における過剰イベントの有意性を評価するため、尤度に基づく検定統計量（TS）を用いる。
• 各アラートに対して、アラートの赤経および赤緯に仮想的な源が存在すると仮定し、スペクトル指数γを用いたべき乗則スペクトルを仮定して検定統計量（TS）を計算する。
• 分析では、一時的（短時間）および安定的（長期間持続）源モデルを両方検討し、スペクトル指数γ = 2.0、2.5、3.0を用いる。
• 過剰発光の有意性は、帰無仮説（背景のみ）の下での検定統計量分布から導かれるp値によって定量化される。
• 中央値の有意性および予想される背景の揺らぎを用いて、等価放射光度（L_iso）の上限が導出される。
• 源の方向不確実性を考慮し、天の川全体およびアラートリスト全体における多重検定補正を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカイブ・ニュートリノアラートと天の川上空の潜在的天体物理学的瞬時的変動源との間に、統計的に顕著な相関が存在するか？
• RQ2 アラートとの方向的一致性に基づいて、一時的および安定的ニュートリノ源の等価放射光度の上限は何か？
• RQ3 源のスペクトル指数（γ）および timescale（500 s 対 1 日）の変化に伴い、制約はどのように変化するか？
• RQ4 観測データおよび背景予想と整合する最大の許容可能な源集団密度は何か？
• RQ5 データは、短時間ガンマ線バースト型や長期間発光するフレア源などの特定のニュートリノ源クラスを、高い有意性で除外できるか？

主な発見

• 500秒および1日という timescale において、アイスカイブ・アラートの方向に顕著なニュートリノイベントの過剰は検出されず、検定統計量のすべてのp値が背景予想と整合的であった。
• スペクトル指数γ = 2.5の瞬時的源の場合、90%信頼区間における等価放射光度の上限は、500秒バーストに対して約1.5 × 10⁵⁴ erg/sであり、γが高くなるにつれて低下する。
• スペクトル指数γ = 2.5の安定的源の場合、L_isoの90%上限は約1.2 × 10⁵⁴ erg/sであり、スペクトル指数が高くなるほど制約が強化される。
• 本分析は、短時間ニュートリノ源の放射光度について、これまでで最も厳しい制約を設定した。γ = 2.5の場合、L_iso > 10⁵⁴ erg/s であるモデルは90%信頼区間で除外された。
• γ = 3.0の場合、瞬時的モデルのL_iso上限は約0.8 × 10⁵⁴ erg/s、安定的モデルでは約0.6 × 10⁵⁴ erg/sであった。
• 結果として、特にスペクトルが硬い源では、宇宙ニュートリノフラックスの顕著な割合が10⁵⁴ erg/sを超える放射光度を持つ源から来ている可能性は排除された。