[論文レビュー] Multi-energy diffuse neutrino fluxes originating from core-collapse supernovae

Yosuke Ashida|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、コアコラプス超新星（CCSNe）からの拡散的ニュートリノフラックスを、複数エネルギー領域にわたって統合的にモデル化するフレームワークを提示する。このフレームワークでは、コアコラプスに伴う熱的MeVニュートリノと、噴出物と周囲物質の相互作用に起因する非熱的高エネルギーニュートリノを統合的に扱う。Salpeter初期質量関数を用いて超新星タイプと前身星質量を関連付け、宇宙論的シミュレーションを用いることで、拡散的高エネルギーニュートリノフラックスがIceCubeが観測した宇宙背景ニュートリノフラックスの最大約10%を占める可能性があると予測される。一方、拡散的超新星ニュートリノ背景（DSNB）は、現在のSuper-Kamiokandeの上限に近い水準にとどまる。

ABSTRACT

Diffuse neutrino fluxes attributed to two different physical processes in core collapse of massive stars are visited with their potentiality of exploring stellar physics more deeply being stressed. In this work, available models of thermal MeV-scale neutrinos produced at the core of collapsing stars and non-thermal high-energy neutrinos emitted from accelerated cosmic rays interacting with circumstellar material are bridged through features of core-collapse supernovae such as progenitor mass and optical properties. The calculated diffuse fluxes are presented with discussion about their detection prospects at neutrino telescopes.

研究の動機と目的

• コアコラプスに起因する熱的MeVニュートリノと、噴出物と周囲物質（CSM）の相互作用に起因する非熱的高エネルギーニュートリノを、CCSNe内において一貫した枠組みで統合的にモデル化すること。
• 低エネルギー拡散的超新星ニュートリノ背景（DSNB）と高エネルギー宇宙背景ニュートリノフラックスの間のギャップを、統一的な物理的モデルによって埋めること。
• 観測分類と前身星質量関数に基づいて、異なる超新星タイプがもたらす拡散的ニュートリノフラックスの寄与を定量化すること。
• Hyper-Kamiokande、JUNO、IceCube-Gen2、KM3NeTといった次世代ニュートリノ望遠鏡における検出可能性を評価すること。

提案手法

• 光学的光曲線とスペクトル的特徴に基づいて、従来の超新星分類（II-L、II-P、IIn、IIb/Ibc）を採用し、前身星質量の範囲を割り当てる。
• 8.5–150 M☉の星に対してSalpeter初期質量関数（IMF）を用い、23.1 M☉を閾値として超新星タイプと前身星質量をマッピングする。
• 軽いSNeと重いSNeのそれぞれに対して、15 M☉と40 M☉の前身星をもとに、コアコラプス物理学とニュートリノ放出メカニズムに基づいて熱的ニュートリノフラックスをモデル化する。
• 周囲物質（CSM）内でのpp反応を通じて非熱的高エネルギーニュートリノフラックスをモデル化し、各超新星タイプごとに異なる噴出物とCSMのプロファイルを設定する。
• 両方のニュートリノフラックス成分を、Illustris-1宇宙論的シミュレーションのCCSNe発生率とChabrier IMFとで畳み合わせ、地球到達時の拡散的フラックスを計算する。
• 宇宙論的定数と赤方偏移の時間的変化を適用し、現在のエポックにフラックスを発展させて、観測限界や検出結果と比較する。

Figure 1: Calculated DSNB $\bar{\nu}_{e}$ flux in comparison with experimental upper limits from Super-Kamiokande [ 43 , 44 ] and KamLAND [ 45 ] . Contributions from the CNS and HNS cases with $f_{\rm HNS}=0.24$ , and their sum are shown. The bands cover different choices of the nuclear EOS (LS220,

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コアコラプスに起因する熱的MeVニュートリノと、噴出物-周囲物質（CSM）相互作用に起因する非熱的高エネルギーニュートリノを、拡散的フラックス計算において一貫した枠組み内でどのように統合できるか？
• RQ2 II-L、II-P、IIn、IIb/Ibcといった異なる超新星タイプが、MeVおよびGeV–TeVエネルギー領域における全拡散的ニュートリノフラックスにそれぞれどの程度寄与するか？
• RQ3 IceCubeが測定した高エネルギー宇宙背景ニュートリノフラックスの多くが、CCSNeに起因する非熱的ニュートリノによって説明可能であるとされる程度はどの程度か？
• RQ4 ブラックホール形成率と前身星質量関数の不確実性が、予測される拡散的ニュートリノフラックスに与える影響はどの程度か？
• RQ5 Hyper-Kamiokande や IceCube-Gen2 といった次世代ニュートリノ望遠鏡において、これらの拡散的フラックスを検出可能な可能性はどの程度か？

主な発見

• 反電子ニュートリノに対する計算された拡散的超新星ニュートリノ背景（DSNB）は、現在のSuper-Kamiokandeの上限と、おおよそ1桁の誤差の範囲で整合している。
• CCSNeに起因する拡散的高エネルギーニュートリノフラックスは、IceCubeが観測した宇宙背景ニュートリノフラックスの最大約10%を占める可能性がある。
• ブラックホール形成率がゼロでない場合、失敗SNeによる低エネルギー寄与が減少するため、エネルギーが30 MeV以上に達する領域でDSNBが強化される。
• ブラックホール形成率や前身星質量関数といったシステム的要因に敏感であり、これらが変動するとフラックスレベルが1桁以上変化する可能性がある。
• 本モデルは、MeVからTeVにわたりエネルギー依存性を持つ非自明なフラックス分布を予測しており、CCSNe物理学に関するマルチメッセンジャー制約が可能になる。
• 将来の検出器、例えばJUNOやHyper-KamiokandeはDSNBへの感度を向上させると予想されるが、IceCube-Gen2とKM3NeTは高エネルギーCCSNeニュートリノ寄与を調べる可能性を高める。

Figure 2: Calculated diffuse high-energy SN neutrino flux ( $\nu_{e}+\bar{\nu}_{e}+\nu_{\mu}+\bar{\nu}_{\mu}+\nu_{\tau}+\bar{\nu}_{\tau}$ ) in comparison with the measured diffuse astrophysical neutrino flux in a recent IceCube analysis using starting track events (ESTES) [ 85 ] . Contributions from