[論文レビュー] Measuring the distance and mass of galactic core-collapse supernovae using neutrinos

Manne Segerlund, Erin O’Sullivan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、アイスキューブやハイパーKなどの現在および近い将来のニュートリノ検出器を用いて、銀河系のコア収縮超新星からの初期時刻のニュートリノ信号を用いて、母星までの距離を素早く推定し、そのゼロ年齢主系列（ZAMS）質量を制約する、新規な手法を提示する。初期ニュートリノ相互作用率と検出器に依存しないパラメータ $f_{ riangle}$ を分析することで、距離の不確実性を約5%に抑え、特にコンパクトな母星に対してZAMS質量の制約が可能となり、電磁気的フォローアップ戦略が向上する。

ABSTRACT

Neutrinos from a Galactic core-collapse supernova will be measured by neutrino detectors minutes to days before an optical signal reaches Earth. We present a novel calculation showing the ability of current and near-future neutrino detectors to make fast predictions of the progenitor distance and place constraints on the zero-age main sequence mass in order to inform the observing strategy for electromagnetic follow-up. We show that for typical Galactic supernovae, the distance can be constrained with an uncertainty of $\sim$5\% using IceCube or Hyper-K and, furthermore, the zero-age main sequence mass can be constrained for extremal values of compactness.

研究の動機と目的

• 銀河系のコア収縮超新星（CCSN）の距離と母星のZAMS質量を、電磁気的フォローアップを支援するために、迅速かつニュートリノに基づいた手法で推定すること。
• 後続のより複雑な信号特徴に依存せず、初期時刻のニュートリノデータのみを用いて、超新星の位置特定と母星特徴の同定における不確実性を低減すること。
• アイスキューブ、スーパーカブロン、ハイパーK、DUNE、JUNOを含む、現在および近い将来のニュートリノ検出器を用いて、本手法の実現可能性を示すこと。
• ニュートリノバーストと光学的ショックブレイクアウトの時間遅れを素早く正確に予測できるようにすることで、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。
• ニュートリノ相互作用、核状態方程式、母星モデルからの系統的不確実性に対する耐性を定量化すること。

提案手法

• 149体の鉄コア母星モデル（ZAMS質量9.0～120 M☉）を、FLASH流体力学と微視的ニュートリノ生成率を用いてシミュレートし、最初の50 msの初期ニュートリノ光曲線を生成する。
• 検出器に依存しない重要なパラメータ $f_{ riangle}$ を定義し、最初の50 msにおけるニュートリノ相互作用数と10 kpcでの予想される率との比として定義する。このパラメータは母星のコンパクトネスと距離と相関する。
• 本手法は、$f_{ riangle}$ と距離（コンパクトネスを固定した場合）および母星のコンパクトネス（距離を固定した場合）との間の一対一の関係を確立し、逆推定を可能にする。
• 検出器における予想されるイベントレートをシミュレートするためにSNOwGLoBESを用い、現実的なニュートリノ相互作用、エネルギースペクトル、および検出器固有の応答を組み込む。
• 統計的不確実性は、ガウス分布のカウント統計、バックグラウンドレベル、および149体の母星モデルへのフィッティングからの系統的誤差を用いて推定する。
• 本手法は、パrameterized爆発モデルを用いた検証と、ニュートリノ相互作用レートおよび核状態方程式の変動に対する耐性テストを実施している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および近い将来の検出器を用いて、銀河系のCCSNからの初期ニュートリノ信号を用いて、超新星までの距離を高い精度で制約できるか？
• RQ2 特にコンパクトな母星に対して、初期ニュートリノ信号から母星のゼロ年齢主系列（ZAMS）質量をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 ニュートリノ相互作用レート、核状態方程式、母星モデルからの不確実性に対して、距離および質量推定手法はどの程度耐性を示すか？
• RQ4 最初のニュートリノ相互作用から得られるパラメータ $f_{ riangle}$ は、距離および母星のコンパクトネスの信頼できる代理指標として機能できるか？
• RQ5 アイスキューブ、ハイパーK、および他の次世代検出器を用いた場合、距離およびZAMS質量推定における予想される不確実性はどの程度か？

主な発見

• アイスキューブまたはハイパーKを用いることで、初期ニュートリノ相互作用レートに基づき、銀河系のCCSNまでの距離を約5%の精度で制約できる。
• 本手法により、母星のZAMS質量の制約が可能となり、特にコンパクトネスの極端な値に対して高い感度を示す。
• 最初の50 msのニュートリノ相互作用から得られるパラメータ $f_{ riangle}$ は、広範なモデル範囲において距離および母星のコンパクトネスの両方と強く、ほぼ一対一の相関を示す。
• ニュートリノ相互作用レートおよび核状態方程式の変動に対しても、本手法は耐性を示し、定量的フィッティングがずれても定性的に信頼性が保たれる。
• ニュートリノと反ニュートリノの分離に依存しないため、従来の手法と比較して時間遅れと潜在的な誤差要因が低減される。
• 本手法はスーパーノバ早期警告システム（SNEWS）と互換性があり、電磁気的フォローアップを支援するための距離および母星の制約を迅速に配信可能である。