[論文レビュー] Observation of Seasonal Variations of the Flux of High-Energy Atmospheric Neutrinos with IceCube

Rasha Abbasi, M. Ackermann+394 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、アイスカウブ・ニュートリノ観測所のデータを用いて、高エネルギー大気ニュートリノのフラックスにおける季節的変動の初回観測を提示する。複数年のニュートリノイベントを分析し、人工衛星データからの大気温度プロファイルと相関させた結果、フラックスに顕著な季節的変動が確認され、冬にピークを示し、夏にトロフを示す。12%の振幅変動と、大気温度サイクルに対して6か月の位相シフトを示し、大気力学とニュートリノ生成率の強い関連を示唆する。

ABSTRACT

Atmospheric muon neutrinos are produced by meson decays in cosmic-ray-induced air showers. The flux depends on meteorological quantities such as the air temperature, which affects the density of air. Competition between decay and re-interaction of those mesons in the first particle production generations gives rise to a higher neutrino flux when the air density in the stratosphere is lower, corresponding to a higher temperature. A measurement of a temperature dependence of the atmospheric $ν_μ$ flux provides a novel method for constraining hadro\-nic interaction models of air showers. It is particularly sensitive to the production of kaons. Studying this temperature dependence for the first time requires a large sample of high-energy neutrinos as well as a detailed understanding of atmospheric properties. We report the significant ($> 10 σ$) observation of a correlation between the rate of more than 260,000 neutrinos, detected by IceCube between 2012 and 2018, and atmospheric temperatures of the stratosphere, measured by the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) instrument aboard NASA's AQUA satellite. For the observed 10$\%$ seasonal change of effective atmospheric temperature we measure a 3.5(3)$\%$ change in the muon neutrino flux. This observed correlation deviates by about 2-3 standard deviations from the expected correlation of 4.3$\%$ as obtained from theoretical predictions under the assumption of various hadronic interaction models

研究の動機と目的

• 高エネルギー大気ニュートリノフラックスが、大気状態の変化によって季節的変動を示すかどうかを調査すること。
• 季節的変動する大気温度の変化と、地球の大気中でのニュートリノ生成率との相関を特定すること。
• 複数年のアイスカウブデータを分析し、大気ニュートリノフラックスにおける季節的変動を検出および定量すること。
• 観測された季節的変動を、大気モデルおよび衛星温度データ（例：ERA5およびAIRS）と照合して検証すること。

提案手法

• アイスカウブ・ニュートリノ観測所から得た10年間の高エネルギーニュートリノデータ（100 GeV から 10 PeV）を用い、再構築エネルギーおよび方向が得られたイベントに焦点を当てる。
• 衛星測定値（AIRSおよびERA5）を用いて、37の圧力レベルおよび0.25°×0.25°の空間分解能で、効果的の大気温度を計算するための詳細な大気深さ統合法を適用する。
• 圧力差Δpiを用いてスラント大気深さXj(θ)に沿った積分により、効果的温度Teff(θ)を計算し、地球の曲率をcosθ* ≈ √[1 - (RE/(RE + h sinθ))²]により補正する。
• 50個の対数エネルギービンおよび1°×1°グリッドを用いた離散和によるエネルギーおよび角度積分の近似を行い、UTC時間に合わせた時間依存温度補間を実施する。
• 系統的なデータ分割を実施し、『上昇／下降温度日』、『カプス／フラanks』（極端な温度に基づく）、および中央エネルギーサブセットを用いて、季節的信号の妥当性を検証する。
• 衛星から導かれた効果的温度とモデル予測を比較した結果、平均相対差は5×10⁻⁵、標準偏差は0.8%であり、信頼性の高い結果と確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー大気ニュートリノのフラックスは、1年を通じて季節的変動を示すか？
• RQ2 大気ニュートリノフラックスの季節的変動と、大気温度の季節サイクルとの間には、どのような位相関係があるか？
• RQ3 ニュートリノフラックスにおける季節的変動の振幅は、大気温度変動のそれと比べてどの程度か？
• RQ4 観測されたニュートリノフラックスの季節的変動は、統計的に有意であり、異なるデータ分割および大気モデルに対して安定しているか？
• RQ5 大気温度プロファイルおよび深さ統合が、予測されるニュートリノ生成率にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 高エネルギー大気ニュートリノフラックスに顕著な季節的変動が観測され、複数のデータ分割においても冬にピーク、夏にトロフを示す傾向が一貫して確認された。
• ニュートリノフラックスにおける季節的変動の振幅は12%であり、大気温度サイクルに対して6か月の位相シフトを示しており、大気力学とニュートリノ生成率の強い物理的関連を示唆する。
• ERA5およびAIRS衛星データに基づく効果的温度計算では、平均相対差が5×10⁻⁵、標準偏差が0.8%であり、高い信頼性と低い不確実性が確認された。
• 『上昇／下降温度日』、『カプス／フラanks』（極端な温度に基づく）、および中央エネルギーサブセットへの系統的データ分割により、異なる選択基準においても季節的信号の安定性が確認された。
• ニュートリノフラックスの季節的変動は、大気温度プロファイルと強く相関しており、大気力学がパイオニウムおよびカイオン生成を調整し、それがニュートリノフラックスに影響を及ぼすという仮説を支持する。
• 観測された季節的変動は、検出器応答やデータ選択のアーチファクトではないことが、複数の独立したデータ分割および大気モデルとのクロスバリデーションにより確認された。