[論文レビュー] High-energy neutrinos from choked-jet supernovae: Searches and implications

Po-Wen Chang, B. Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 143被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、10年間の非バッチ最大尤度解析とSN Ib/cのカタログを用いて、アイスカウルの高エネルギー宇宙線ニュートリノの源としてのくわせじつ超新星（cjSNe）の可能性を調査した。有意な相関は得られなかったが、保守的な上界は、SNe Ib/cが主な源であることに矛盾しないままであり、今後のマルチメッセンジャー観測がこのシナリオを確認または除外する可能性を示している。

ABSTRACT

The origin of the high-energy astrophysical neutrinos discovered by IceCube remains largely unknown. Multimessenger studies have indicated that the majority of these neutrinos come from gamma-ray-dark sources. Choked-jet supernovae (cjSNe), which are supernovae powered by relativistic jets stalled in stellar materials, may lead to neutrino emission via photohadronic interactions while the coproduced gamma rays are absorbed. In this paper, we perform an unbinned maximum-likelihood analysis to search for correlations between IceCube's ten-year muon-track events and our SN Ib/c sample, collected from publicly available catalogs. In addition to the conventional power-law models, we also consider the impacts of more realistic neutrino emission models for the first time, and we study the effects of the jet beaming factor in the analyses. Our results show no significant correlation. Even so, the conservative upper limits we set to the contribution of cjSNe to the diffuse astrophysical neutrino flux still allow SNe Ib/c to be the dominant source of astrophysical neutrinos observed by IceCube. We discuss implications to the cjSNe scenario from our results and the power of future neutrino and supernova observations.

研究の動機と目的

• アイスカウルが検出した拡散的高エネルギー宇宙線ニュートリノ放射線を、くわせじつ超新星（cjSNe）が説明できるかどうかを特定すること。
• 1年間の限界を超える10年分のアイスカウルのミュオントラックデータを活用して、cjSNeがニュートリノ源である可能性に対する制約を強化すること。
• これまでのデータで検証されていなかった現実的で時間に依存するニュートリノ放射モデルが、cjSNeの検出可能性に与える影響を評価すること。
• ビーム化因子とモデル依存のニュートリノ生成効率に起因する、スタッキング解析と単一源解析の感度への影響を評価すること。
• アイスカウル-ジェネレーション2（IceCube-Gen2）やLSSTといった将来の観測施設が、cjSNeシナリオをテストする上で果たす可能性を予測すること。

提案手法

• アイスカウルの10年間のミュオントラックニュートリノイベントと、公開済みのSN Ib/cカタログを相関させるために、非バッチ最大尤度解析が適用された。
• 低出力のGRBに類似したジェット内の物理的状態を反映する、時間に依存する宇宙線およびメソン冷却プロセスを含む現実的なcjSNe放射モデルが組み込まれた。
• 単一源解析とスタッキング解析の両方が実施され、後者はSN Ib/cサンプル全体における全宇宙線エネルギー予算（$\mathcal{E}_{\rm CR}$）およびジェット分率（$f_{\rm jet}$）の上界を導出するために用いられた。
• 検出可能性への影響を評価するために、ジェットビーム化因子が明示的にモデル化された。ニュートリノ生成効率は、モデル間で最大約5倍の差異を示した。
• 各cjSNeモデルについて、全SNe Ib/cが寄与する累積ニュートリノフラックスの保守的な統計的取り扱いに基づく上界が導出された。
• アイスカウル-ジェネレーション2とLSSTによる予想される改善、特に超新星検出率および赤方偏移の完全性の向上に基づき、将来の感度予測が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 くわせじつ超新星（cjSNe）は、アイスカウルが観測した拡散的高エネルギー宇宙線ニュートリノ放射線を説明できるか？
• RQ2 現実的で時間に依存するcjSNe放射モデルは、アイスカウルデータにおけるこれらの源の検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 10年分のデータを踏まえた場合、cjSNeの宇宙線エネルギー予算（$\mathcal{E}_{\rm CR}$）およびジェット分率（$f_{\rm jet}$）に対する保守的な上界は何か？
• RQ4 異なるcjSNeモデルにおけるニュートリノ生成効率の変動が、結果に与える感度はどの程度か？
• RQ5 アイスカウル-ジェネレーション2やLSSTといった将来の観測施設は、cjSNeシナリオに対する制約をどの程度改善できるか？

主な発見

• アイスカウルの10年間のミュオントラックイベントとSN Ib/cサンプルとの間に有意な相関は認められず、このデータセットではcjSNeが主なニュートリノ源である強力な証拠がないことが示された。
• 10年間の$\mathcal{E}_{\rm CR}$および$f_{\rm jet}$の上界は、以前の1年間の限界を10倍以上改善しており、cjSNeモデルに対する制約が強化された。
• SNe Ib/cが寄与する累積ニュートリノフラックスの上界は保守的であり、SNe Ib/cがアイスカウルが観測した宇宙線ニュートリノの主な源である可能性と矛盾しない。
• 検討されたcjSNeモデル間で、ニュートリノ生成効率は最大で約5倍の差異を示し、モデル依存の効率は検出可能性と制約の強度の鍵要因となった。
• アイスカウル-ジェネレーション2は、2年間の運用でスタッキング限界を約5倍に強化すると予測されており、cjSNeモデルのテスト能力が顕著に向上する。
• 近い将来のLSST調査では、コアコリプス超新星の検出率が10倍以上に上昇すると予想され、特にビーム化因子が極めて小さいcjSNe（$f_{\rm jet} \ll 0.1$）に対する感度が劇的に向上し、cjSNe仮説の根幹をなす要因となる。