[論文レビュー] Gamma Ray Bursts as Neutrino Sources

P. Mészáros|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 37被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、特に低光度および遮断されたガンマ爆発（GRBs）が、相対論的衝撃波における効率的な陽子加速のおかげで、高エネルギーニュートリノの顕著な源である可能性を提案している。光核反応（photohadronic interactions）によって、数GeVからPeVに達するニュートリノが生成される。アイスキューブの古典的GRBとの相関非検出は、これらの源が隠れており、もしくは低光度である可能性を示唆しており、ニュートリノの痕跡は失敗したジェットやジェット強化型超新星を明らかにする可能性がある。

ABSTRACT

Gamma-ray burst sources appear to fulfill all the conditions for being efficient cosmic ray accelerators, and being extremely compact, are also expected to produce multi-GeV to PeV neutrinos. I review the basic model predictions for the expected neutrino fluxes in classical GRBs as well as in low luminosity and choked bursts, discussing the recent IceCube observational constraints and implications from the observed diffuse neutrino flux.

研究の動機と目的

• 光核反応を介したGRBsが、数GeVからPeVのニュートリノを生成する可能性を評価すること。
• 低光度（LLGRBs）および遮断されたGRBsが、アイスキューブが観測した広がった高エネルギーニュートリノフラックスに寄与する可能性を評価すること。
• 特にγ線放射が検出不能な状況下で、ニュートリノ放射が失敗したジェットや隠れたGRB前身星をどのように明らかにするかを調査すること。
• 衝撃波加速および陽子-陽子（pp）および陽子-光子（pγ）衝突が、検出可能なニュートリノスペクトルをどのように生成するかを検討すること。
• 観測された広がったニュートリノフラックスを、特に超新星の核心崩壊と星形成環境に関連する天体的源と一致させること。

提案手法

• GRB噴流内の衝撃パラメータ（ローレンツ因子、磁場、光子密度）を推定するために、標準的なファイアボール衝撃モデルを用いる。
• 光核反応断面積を適用して、相対論的衝撃領域における陽子-光子（pγ）および陽子-陽子（pp）衝突からのニュートリノ生成を計算する。
• 古典的GRB、LLGRB、遮断ジェットのニュートリノフラックスを、ローレンツドップラー効果およびビーミング効果を考慮してモデル化する。
• 予測されたニュートリノフラックスをアイスキューブの観測された広がったニュートリノフラックスおよび古典的GRBトリガーとの相関非検出と比較する。
• 星の包みの内部におけるジェットの細胞化、バリオン負荷、衝撃波の破壊が、ニュートリノ生成量およびスペクトル形状に与える影響を検討する。
• 特に低エネルギー（数GeV）および高エネルギー（TeV-PeV）成分について、アイスキューブおよびDeepCoreでの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB、特に低光度および遮断ジェットが、光核反応を介して検出可能な高エネルギーニュートリノフラックスを生成できるか？
• RQ2 なぜアイスキューブの広がったニュートリノフラックスと、スイフトやフェルミが検出した古典的GRBとの間に相関が観測されないのか？
• RQ3 さまざまなGRBタイプにおけるpγおよびpp反応からのニュートリノスペクトルはどのように異なり、ジェット環境に関する何を明らかにするか？
• RQ4 失敗したジェットや遮断されたジェットからのニュートリノ放射は、ジェット強化型超新星や隠れたGRB前身星をどのように探査できるか？
• RQ5 アイスキューブの観測結果は、GRBが広がった高エネルギーニュートリノ背景に与える寄与にどのような制約を課すか？

主な発見

• 古典的GRBは、アイスキューブデータとの相関欠如から、広がったニュートリノフラックスの主な寄与源である可能性が低い。
• 低光度GRB（LLGRBs）および遮断ジェットは、高いイベント率と星形成領域との関連から、広がったニュートリノフラックスへの寄与源として強い候補である。
• 遮断ジェットは、低エネルギー（数GeV）のpp成分と高エネルギー（TeV-PeV）のpγ成分を示す特徴的なニュートリノシグネチャを生成し、星の包み構造を診断できる。
• 失敗したジェットからのニュートリノ放射は、「γ線暗黒GRB」（γ線で検出不能）を明らかにする手がかりとなり得るが、ニュートリノ信号によってのみ特定可能である。
• 観測された広がったニュートリノフラックスは、超新星の核心崩壊および関連するジェット現象からの寄与と整合的であり、特にスターバースト銀河で顕著である。
• 高光度で埋め込まれた衝撃波は、放射優勢のためフェルミ加速が効率的でないため、ニュートリノ生成は低光度の遮断ジェットに限られる。