[論文レビュー] Detecting High-Energy Neutrinos from the Next Galactic Supernova

Kohta Murase|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー中性子星崩壊超新星（特にII-P型およびIIn型）における宇宙線と周囲星間物質とのハドロン的相互作用によって生じる高エネルギー中性子びもうを予測する時間依存モデルを提示する。このモデルは、アイスキューブとKM3Netが10 kpc離れたIIn型超新星からそれぞれ約1,000件および約300,000件の中性子びもうイベントを検出できると予測しており、超新星の物理的性質や宇宙線起源の多エネルギー中性子びもう研究が可能になる。

ABSTRACT

Neutrinos from supernovae (SNe) are crucial probes of explosive phenomena at the deaths of massive stars and neutrino physics. High-energy neutrinos are produced through hadronic processes by cosmic rays, which are accelerated during interaction between the supernova (SN) ejecta and circumstellar material (CSM). Recent observations of extragalactic SNe have revealed that a dense CSM is commonly expelled by the progenitor star. We provide new quantitative predictions of time-dependent high-energy neutrino emission from diverse types of SNe. We show that IceCube and KM3Net can detect about 1000 events from a SN II-P (and about 300000 events from a SN IIn) at a distance of 10 kpc. The new model also enables us to critically optimize the time window for dedicated searches for nearby SNe. A successful detection will give us a multienergy neutrino view of SN physics and new opportunities to study neutrino properties, as well as clues to the cosmic-ray origin. GeV-TeV neutrinos may also be seen by KM3Net, Hyper-Kamiokande, and PINGU.

研究の動機と目的

• 加速された宇宙線と周囲星間物質（CSM）とのハドロン的相互作用によって引き起こされる、多様な超新星タイプ、特にII-P型およびIIn型における時間依存的高エネルギー中性子びもう放射をモデル化すること。
• 10 kpc離れた近接超新星に対して、アイスキューブやKM3Netなどの既存および将来のニュートリノ観測所で検出可能なニュートリノイベントレートを定量化すること。
• 超新星爆発後の時間的変化を予測することで、専用のニュートリノ探索の最適な時間窓を最適化すること。
• 超新星物理学の多エネルギーニュートリノ研究を可能にし、ニュートリノの性質および宇宙線加速メカニズムを解明すること。
• 将来の検出器（ハイパーキャミオカンデ、PINGU、KM3Net）がGeV–TeVニュートリノを検出できる可能性を評価すること。

提案手法

• 超新星噴出物内の宇宙線と周囲星間物質（CSM）とのハドロン的相互作用に基づく、時間依存的高エネルギーニュートリノ生成モデルを構築する。
• 特にIIn型およびII-P型超新星に対して、外部銀河超新星からの高密度CSMに関する観測的制約を用いて、モデルの入力パラメータを制約する。
• 粒子加速および反応断面積モデルを適用し、爆発後経過時間に応じたニュートリノフラックスを推定する。
• アイスキューブおよびKM3Netでの検出可能なニュートリノイベントレートを予測するため、モンテカルロ風のシミュレーションを実施する。距離は10 kpcを仮定する。
• 検出器固有のエネルギー閾値および有効面積を組み込み、異なるニュートリノエネルギー帯域における観測可能なイベント数を予測する。
• ハイパーキャミオカンデ、PINGU、KM3Netなどの将来の検出器がGeV–TeVニュートリノをどれだけ感度よく検出できるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度周囲星間物質を有する超新星崩壊超新星からの時間依存的高エネルギーニュートリノフラックスは、予想されるか？
• RQ2 アイスキューブおよびKM3Netは、10 kpc離れた銀河内超新星から、どの程度の高エネルギーニュートリノイベントを検出できるか？（超新星タイプに応じて）
• RQ3 予測されたニュートリノ放射プロファイルに基づき、超新星爆発後の専用ニュートリノバース探索の最適な時間窓は何か？
• RQ4 ハイパーキャミオカンデやPINGUなどの将来の検出器は、近接超新星からのGeV–TeVニュートリノを観測可能か？
• RQ5 これらのニュートリノ信号は、極端な天体物理学的環境下での宇宙線加速モデルおよびニュートリノの性質をどの程度制約できるか？

主な発見

• アイスキューブは、10 kpc離れたII-P型超新星から約1,000件の中性子びもうイベントを検出できると予測されている。
• KM3Netは、同じ距離のIIn型超新星から約300,000件の中性子びもうイベントを検出すると予想されており、これはより高い周囲星間物質密度に起因する。
• モデルは、専用のニュートリノバース検出のための探索窓最適化が可能な時間依存的ニュートリノ放射プロファイルを予測している。
• 近接超新星からのGeV–TeVニュートリノは、KM3Net、ハイパーキャミオカンデ、PINGUによって検出可能である可能性があり、観測可能なニュートリノエネルギー範囲が拡張される。
• このようなニュートリノの検出に成功すれば、超新星物理学の多エネルギー的視点が得られ、宇宙線の起源およびニュートリノの性質に関する新たな知見が得られる。
• このモデルは、高エネルギーニュートリノが超新星の力学的挙動およびコア崩壊イベントにおける粒子加速メカニズムを調べるための有効なプローブである可能性を支持している。