[論文レビュー] Neutrinos from the cosmic noon: a probe of the cosmic star formation history

Riya, Vikram Rentala|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、将来のハイパースカイニャンダー（HK）が、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）を測定することで、UV/IRおよびHα電磁的プローブから得られる宇宙的星形成歴（CSFH）の不一致を解消できる可能性を提案している。ガドリニウム添加によりエネルギー閾値を低下させることで、HKは、コアコリプス超新星ニュートリノスペクトルに応じて1.6〜20年間で2つのCSFHモデルを区別可能であり、宇宙的ノン（宇宙の黄金期）を直接ニュートリノベースで探査できる。

ABSTRACT

Multiple astrophysical probes of the cosmic star formation history yield widely different inferences of this rate at redshifts z > 1. While all probes seem to indicate a period of peak star formation known as the cosmic noon between 1.5 < z < 3, the detailed inferences from these probes are in disagreement. In particular, the magnitude of the peak star formation rate density indicated by H-alpha data is higher by a factor of ~ 4 compared to the magnitude of the peak indicated by UV/IR data. In this work, we explore the potential of future measurements of the diffuse supernova neutrino background at the Hyper-Kamiokande (HK) experiment to resolve the discrepancy and help pin down the magnitude of the peak cosmic star formation rate. We find that, depending upon the cosmic core-collapse supernova neutrino spectrum, HK loaded with 0.1% Gadolinium by mass has the potential to discriminate between the different star formation histories with between 1.6-20 years of data collection.

研究の動機と目的

• 宇宙的ノン（z ≈ 1.5–3）におけるピーク星形成率密度（SFRD）の長年の不一致を、UV/IRおよびHα電磁的プローブの間で解消すること。
• 将来のハイパースカイニャンダー（HK）における拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の検出が、これらの矛盾するSFRD推定値を区別できるかどうかを調査すること。
• 特にガドリニウム添加による低エネルギーニュートリノへの感受性を含め、HKの低エネルギーニュートリノに対する感受性を、宇宙的ノン期のコアコリプス超新星からのものとして評価すること。
• ニュートリノフラックスの差に基づき、2つのCSFHモデルを区別するためのHKが要する観測時間とスペクトル感受性を決定すること。

提案手法

• UV/IRデータから得られるCSFHとHαデータから得られるCSFHの両方を、同じ総SFRDに正規化して、期待されるDSNBフラックスをモデル化する。
• 温度パrameter（T = 4–8 MeV）を変化させた基準コアコリプス超新星（CC SN）ニュートリノスペクトルを用い、DSNBエネルギースペクトルと赤方偏移の進化をシミュレートする。
• HK検出器の応答をシミュレートし、エネルギー閾値、ガドリニウム添加による背景抑制（閾値を約10 MeVに低下）および散乱背景の低減を含める。
• 10年間の露出シミュレーションを用いて、2つのCSFHモデル間のDSNBスペクトル差の統計的有意性を推定する。
• ニュートリノエネルギー抑制（Eν²比例）と、特に10 MeV未満の原子炉ニュートリノ背景の制限を考慮する。
• 異なるスペクトルおよび検出器条件の下で、2つのCSFHモデルを5σで区別するための必要観測時間を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のハイパースカイニャンダーによるDSNB測定は、UV/IRデータから推定される星形成歴とHαデータから推定される星形成歴を区別できるか？
• RQ2 HKが2つの矛盾するSFRDモデルを5σで区別するための最小観測時間はどのくらいか？
• RQ3 HKのガドリニウム添加は、宇宙的ノンからの低エネルギーニュートリノへの感受性とエネルギー閾値にどのように影響するか？
• RQ4 仮定されたコアコリプス超新星ニュートリノスペクトル（温度Tでパラメータライズド）は、DSNBの検出可能性および区別可能性にどのように影響するか？
• RQ5 ガドリニウム添加が可能な低体積検出器（例：スーパーカイラニャンダー）は、SFRDの不一致を解消するのに十分な統計的精度を達成できるか？

主な発見

• ガドリニウム添加により、ハイパースカイニャンダーは、コアコリプス超新星ニュートリノスペクトルに応じて1.6〜20年間のデータ収集で、UV/IRおよびHαベースの星形成歴を区別可能である。
• T = 4 MeVの基準スペクトルでは、DSNBは検出可能ではあるが、エネルギーが低すぎてHKが宇宙的ノン寄与を区別できないため、実用的な時間スケールでは区別不能である。
• ガドリニウム添加なしでは、最も楽観的な状況（T = 8 MeV）でのみ、10〜20年間のスケールで区別が可能であり、T = 6 MeVでDSNBの発見が可能となる。
• 宇宙的ノンニュートリノへの感受性を得るための必要エネルギー閾値は10 MeV未満であり、これは散乱背景を低減するガドリニウム添加がなければ達成できない。
• スカイニャンダーGdのような低体積検出器は、低エネルギー閾値の改善があっても、不一致を解消するのに十分な統計的精度を欠く。
• 系統的不確実性（特に低エネルギー背景と真のCC SNニュートリノスペクトルの不確実性）が結論に影響を及ぼす可能性があり、今後の銀河超新星の検出や近接超新星観測によるキャリブレーションの必要性を示唆している。