[論文レビュー] High-energy emitting BL Lacs and high-energy neutrinos - Prospects for the direct association with IceCube and KM3NeT

Chiara Righi, F. Tavecchio+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、光子-ミソン反応を介してガンマ線とニュートリノ放射率を結びつけるレプトン的ジェットモデルを用いて、高エネルギー放射を発するBL Lacs（HBL）が高エネルギーニュートリノの主な源であると提唱する。KM3NeTは数個のHBL源から年間1個以上のニュートリノを検出可能であり、数年以内に直接同定が可能になると予測される。一方、IceCubeの低い感度では最も明るい源に限られるが、今後のニュートリノ望遠鏡における角分解能の向上が、高エネルギーニュートリノの天体的起源を特定する上で極めて重要であることが示された。

ABSTRACT

The origin of the high-energy flux of neutrinos detected by IceCube is still unknown. Recent works report the evidence for a possible positional correlation between the reconstructed neutrino arrival directions and the positions in the sky of low power, high-energy emitting BL Lac objects (HBL). Assuming that $γ$-ray emitting HBL form the bulk of the sources of high-energy neutrinos above 100 TeV, we intend to calculate the number of events expected to be detected for each source by IceCube and KM3NeT. Based on a simple theoretically-motivated framework inspired by the structured jet scenario for these sources, we postulate a direct proportionality between high-energy $γ$-ray and neutrino fluxes. We calculate the expected neutrino event rate for the HBL sources of the Second Fermi-LAT Catalog of High-Energy Sources (2FHL) for IceCube and the presently under construction KM3NeT using declination-dependent and exposure-weighted effective areas. We provide a list of 2FHL HBL with the calculated number of events. For IceCube, the derived count rate for several sources is relatively high, of the order of $\lesssim$1 yr$^{-1}$, consistently with the recent findings of a possible positional correlation. For KM3NeT the calculated rates are higher, with several sources with expected rate exceeding 1 yr$^{-1}$. This, coupled with the improved angular resolution, implies that the HBL origin can be effectively tested with few years of observation of KM3NeT (and IceCube Gen2, for which similar performances are foreseen) through the direct association of neutrinos and single HBL. Our results show that if -- as hinted by recent works -- HBL represent a possible population of high-energy neutrino emitters, several single sources should be identified in few years of exposure of KM3NeT, highlighting the importance of the improved angular resolution anticipated for KM3NeT and IceCube Gen2.

研究の動機と目的

• IceCubeが検出している高エネルギーニュートリノの主な源が、高エネルギー放射を発するBL Lacs（HBL）であるかどうかを調査すること。
• IceCubeおよび近い将来に稼働予定のKM3NeT観測所を用いたHBL源からのニュートリノ放射率の検出可能性を評価すること。
• 予想されるイベント率に基づいて、個々のHBL源とニュートリノイベントとの直接的関連づけが可能かどうかを評価すること。
• KM3NeTおよびIceCube Gen2の角分解能の向上が、高エネルギーニュートリノの天体的起源を同定する上で果たす役割の意味を検討すること。
• HBLにおけるガンマ線とニュートリノ放射率の間の線形相関が、観測された等方的ニュートリノ放射率を説明できるかを検証すること。

提案手法

• プロトン誘発光子-ミソン反応を含む構造化されたジェットモデルに基づき、HBLにおける高エネルギーガンマ線とニュートリノ放射率の間の直接比例関係を仮定する。
• IceCubeおよびKM3NeTの有効面積を、赤緯および露出量に重み付けして、各源ごとの予想されるニュートリノイベント率を計算する。
• 2FHL高エネルギーガンマ線源カタログを用いてHBL候補を特定し、1年間の予想されるニュートリノ数を計算する。
• KM3NeTでは、水平線下および水平線から最大10°上までの通過ミューオントラックを考慮し、イベント率にわずかな差（約1.2倍）があることが判明した。
• 短時間（1〜2週間）のフレア状態を想定し、平均放射率をα ≈ 10の係数でスケーリングすることで、活性状態における検出可能性の向上を推定する。
• ハドロン的過程がニュートリノを生成する一方で、再放射された電磁気的カスケードがMeV–GeV帯での検出可能な高エネルギーガンマ線放射を抑制すると仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー放射を発するBL Lacsは、IceCubeが観測した高エネルギーニュートリノ放射率を説明できるか？
• RQ2 IceCubeおよびKM3NeTの露出量と角分解能を考慮した場合、HBL源1つあたりの予想されるニュートリノイベント率はどの程度か？
• RQ3 KM3NeTまたはIceCube Gen2の数年間の運用で、個々のHBL源とニュートリノイベントとの直接的関連づけが可能になるか？
• RQ4 HBLにおける一時的フレアが、関連するニュートリノの検出可能性に与える影響は何か？また、このような一致はハドロン的放射の明確な証拠となるか？
• RQ5 観測において明るいMeV–GeVガンマ線成分が欠落していることは、パイオン崩壊に起因する再放射が弱く、高エネルギーガンマ線出力が抑制された、提案されたレプトン的ジェット状況をどの程度支持するか？

主な発見

• IceCubeでは、2FHLカタログに含まれる最も明るいHBL源のいくつかが、年間約1個のニュートリノを発生すると予測され、最近の位置相関の結果と整合的である。
• KM3NeTでは、予想されるイベント率が著しく高く、20個のHBL源が年間0.3個以上のニュートリノを発生すると予測され、信頼性の高い源同定が可能となる。
• 最も明るいHBL源（Mkn 421、PKS 2155–304、Mkn 501）は、数年間の観測で明確なニュートリノ-源関連づけが可能になると予測される。
• 通常の10倍のフレア状態では、年間平均で約1個のニュートリノを発生させるHBLが、1個以上の検出可能なニュートリノを放出する可能性があり、ハドロン的活動の明確なシグナルを示す。
• KM3NeT（サブデグリー、<0.2°）およびIceCube Gen2の角分解能の向上により、ニュートリノイベントと個々のHBL源との直接的関連づけが可能となり、源同定および非均一性研究が強化される。
• NuSTAR観測において明るいMeV–GeVガンマ線成分が観測されないことは、パイオン崩壊に起因する再放射が弱く、高エネルギーガンマ線出力が抑制された、提案されたレプトン的ジェット状況を支持する。