[論文レビュー] Enhanced high-energy neutrino emission from choked gamma-ray bursts due to meson and muon acceleration

Hylke Koers, R. A. M. J. Wijers|ArXiv.org|Nov 29, 2007

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、窒息型ガンマ爆発（ choked GRB ）の内部衝撃波で生成されたメソンおよびミューオンが、陽子を加速するのと同じ衝撃波によって効率的に加速されることを提案している。その結果、最大で約 10^3 TeV まで延びる著しく硬い高エネルギーニュートリノスペクトルが得られる。この二次粒子の衝撃波加速は、従来のモデルが予測したよりもはるかに硬く、観測可能であるニュートリノフレックスを生じさせ、IceCube や他の検出器による観測の可能性を著しく高める。

ABSTRACT

It has been suggested that a potentially large fraction of supernovae could be accompanied by relativistic outflows that stall below the stellar surface. In this letter we point out that internal shocks that are believed to accelerate protons to very high energies in these flows will also accelerate secondary mesons and muons. As a result the neutrino spectrum from meson and muon decay is expected to be much harder compared to previous estimates, extending as a single power law up to ~10^3 TeV. This greatly improves the detection prospects.

研究の動機と目的

• 窒息型ガンマ爆発の内部衝撃波で生成される二次的メソンおよびミューオンが、陽子や電子と同様に衝撃波加速を受けるかどうかを調査すること。
• メソンおよびミューオンの加速が、得られる高エネルギーニュートリノスペクトルおよび観測可能性に与える影響を評価すること。
• これらの源からのニュートリノフレックスが、Waxman-Bahcall 界限を超えており、現在および将来のニュートリノ観測所で検出可能かどうかを特定すること。
• AMANDA-II などの既存の実験的制限（例：AMANDA-II）がモデルパラメータに課す制約を評価すること。

提案手法

• 本研究では、ローレンツ因子 Γj、エネルギー E、開口角 θ を持つ相対論的ジェットを仮定し、内部衝撃波をモデル化する。陽子の加速はパワーロー スペクトル dNp/dE′p ∝ E′p−p に従うものとする。
• 同じ衝撃波加速メカニズムを用いて、二次粒子（パイオン、カイオン、ミューオン）の加速を組み込む。加速 timescale が崩壊 timescale より短いという条件を用いる。
• エネルギー予算パラメータ（εe, εB, ξp）および可変性 timescale δt とジェット特性から導かれる衝撃波半径 rint を用いて、共動フレームにおける磁場強度と粒子密度を計算する。
• ニュートリノフレックスは、崩壊鎖 π± → μ± → e± + νμ + ν̄μ + νe + ν̄e からのものであり、加速された親粒子分布に従ってエネルギースペクトルが形成される。
• 全般的なニュートリノフレックスは、超新星の発生率とコリメーションを統合することで推定され、 choked GRB の発生率は ∝ θ²ξSN dₚ³ に比例する。観測限界および Waxman-Bahcall 界限と比較される。
• 本モデルでは、二次的メソンが生成後に衝撃波に到達可能であると仮定しており、陽子の平均自由行程がメソンのギロレーダスと同等になる高エネルギー領域で妥当であると予想される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒息型 GRB の内部衝撃波で発生する、pp および pγ 行動によるメソンおよびミューオンが、陽子を加速するのと同じ衝撃波によって加速可能か？
• RQ2 二次粒子の加速が、得られるニュートリノスペクトルの形状および高エネルギー端末に与える影響は？
• RQ3 メソンおよびミューオンの崩壊によるニュートリノフレックスが、従来の推定値および観測限界をどれほど上回るか？
• RQ4 現在（AMANDA-II）および将来（IceCube）の検出器による、このようなニュートリノ放射の検出可能性はどの程度か？

主な発見

• メソンおよびミューオンの崩壊によるニュートリノスペクトルは、最大エネルギーが約 10^3 TeV まで達する単一のパワーロー スペクトルに従い、指数 p ≈ 2.3 となる。これは、従来のモデルが 1 TeV 未満でスペクトルの折り返しを予測していたのと比べ、著しく硬いものである。
• p = 2.0 の場合、本モデルは Waxman-Bahcall 界限を超える全般的なフレックスを予測しており、パラメータが有利な場合、窒息型 GRB が高エネルギーニュートリノの主要源である可能性を示唆している。
• AMANDA-II の実験による上限は、すでにモデルを制限しており、p = 2.0 の場合 E₅₂ξp,₋₂ξSN ≲ 10⁻²、p = 2.3 の場合 E₅₂ξp,₋₂ξSN ≲ 1 である必要がある。
• IceCube は信号を検出または制限するのに十分な感度を持つと予想され、100 Mpc 離れの単一の choked GRB に対して、p = 2.0 時に 14 個のミューオンニュートリノ衝突、p = 2.3 時に 0.63 個、p = 2.6 時に 0.038 個が予想される。
• BΓj > 5 × 10² G の条件下で、メソンおよびミューオンの衝撃波加速が可能であり、これは GRB 環境で容易に満たされる条件であるため、このメカニズムは GRB のタイプにかかわらず一般化可能であると考えられる。
• 本モデルでは、二次的メソンが生成後に衝撃波に到達可能であると仮定しており、陽子エネルギーが高い領域（陽子の平均自由行程がメソンのギロレーダスと同等になる領域）で最も妥当であるとされる。