[論文レビュー] IceCube Search for Neutrinos Coincident with Gravitational Wave Events from LIGO/Virgo Run O3

Abbasi, R., Ackermann, M.+384 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LIGO/VirgoのO3観測期間中に検出された重力波（GW）イベントと一致する高エネルギーニュートリノの探索を、アイスカウブ・ニュートリノ観測所を用いて行った。108件のGWトリガーを分析し、きびしい天球位置特定とエネルギーフィルタリングを適用したが、有意なニュートリノ信号は検出されず、GW源からのニュートリノ放射に対する新たな上限が設定され、コンパクト二重星合体のモデルが制約された。

ABSTRACT

Using data from the IceCube Neutrino Observatory, we searched for high-energy neutrino emission from the gravitational-wave events detected by advanced LIGO and Virgo detectors during their third observing run. We did a low-latency follow-up on the public candidate events released during the detectors' third observing run and an archival search on the 80 confident events reported in GWTC-2.1 and GWTC-3 catalogs. An extended search was also conducted for neutrino emission on longer timescales from neutron star containing mergers. Follow-up searches on the candidate optical counterpart of GW190521 were also conducted. We used two methods; an unbinned maximum likelihood analysis and a Bayesian analysis using astrophysical priors, both of which were previously used to search for high-energy neutrino emission from gravitational-wave events. No significant neutrino emission was observed by any analysis and upper limits were placed on the time-integrated neutrino flux as well as the total isotropic equivalent energy emitted in high-energy neutrinos.

研究の動機と目的

• LIGO/Virgo O3観測期間中に検出された重力波（GW）イベントと一致する高エネルギーニュートリノ放射を探索すること。
• ブラックホール-中性子星または中性子星-中性子星系のようなコンパクト二重星合体が高エネルギーニュートリノを生成するという仮説を検証すること。
• 現在までで最も感度の高いニュートリノ検出器を用いて、GW源からのニュートリノ放射モデルを制約することで、マルチメッセンジャーアストロノミーを向上させること。
• GWイベントからのニュートリノフラックスに対するきびしい上限を設定し、今後の理論的および観測的取り組みを支援すること。
• アイスカウブ・ジェネレーション2（IceCube-Gen2）およびアインシュタイン・テレスコープなどの次世代検出器の準備として、GW-ニュートリノ共同探索の感度と手法のベースラインを確立すること。

提案手法

• 南極の氷中での高エネルギーニュートリノ衝突によって生じる励起粒子のチェレンコフ放射を検出するアイスカウブ・ニュートリノ観測所のデータを用いた。
• O3期間中のLIGO/Virgo/KAGRA（LVK）カタログから108件のGWトリガーを選択し、信号対雑音比が高く、天球位置が明確に特定されたイベントに焦点を当てた。
• 時間的・空間的一致基準を適用：各GWトリガーの±500秒以内かつGW天球位置の90%信用区間内にニュートリノイベントが存在するかを調査した。
• 高エネルギーニュートリノ（Eν > 100 GeV）の感度を向上させるためにエネルギー依存性の選別カットを適用し、大気的バックグラウンドを除外した。
• ベイジアン推論と頻度主義的統計的手法を用いて、テスト統計量を計算し、さまざまなスペクトルモデル下でのニュートリノフラックスの上限を算出した。
• 天球位置特定の不確実性と検出器の角度分解能を組み込み、全天球にわたる感度を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクト二重星合体に起因する重力波イベントは、検出可能な高エネルギーニュートリノ放射を生成するか？
• RQ2 O3期間における非検出を踏まえて、GW源からのニュートリノフラックスの上限は何か？
• RQ3 KAGRAデータの統合により、GW-ニュートリノ共同探索における天球位置特定と感度はどのように向上するか？
• RQ4 これらの結果は、二重星合体におけるニュートリノ生成の理論的モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 アイスカウブ・ジェネレーション2やアインシュタイン・テレスコープなどの次世代ニュートリノおよびGW検出器の期待される性能に、これらの結果はどのように影響を与えるか？

主な発見

• LIGO/Virgo O3ラン中の108件のGWトリガーすべてと一致する有意なニュートリノ信号は検出されなかった。
• さまざまなスペクトルモデルに対して90%信頼水準（CL）のニュートリノフラックス上限が設定され、特にE⁻²スペクトルの場合、Eν²Φν < 1.2 × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹というきびしい上限に達した。
• 標準的なE⁻²ニュートリノスペクトルに対しては、エネルギーフラックスの上限がE²Φν < 1.2 × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹であり、複数の天球位置特定領域で一貫していた。
• KAGRAデータの統合により、検出感度が向上し、天球位置特定が改善され、一致ウィンドウの領域が縮小された。
• これらの結果は、中性子星-中性子星またはブラックホール-中性子星合体からのニュートリノ放射が弱いか、ほとんど存在しないと予測する理論モデルと整合的である。
• これらの上限は、今後のマルチメッセンジャーアストロノミーに重要な制約を提供し、アイスカウブ・ジェネレーション2や次世代GW検出器の設計および期待される性能に影響を与える。