[論文レビュー] On TeV Gamma Rays and the Search for Galactic Neutrinos

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、アイスカウブとフェルミ-LATのデータを用いて、テルバールガンマ線と銀河系ニュートリノの関係を調査し、銀河平面から離れた領域における観測されたガンマ線放射度が、アイスカウブニュートリノ放射度における大きな銀河系寄与を支持できないことを示している。解析結果から、銀河系ニュートリノ成分はおそらく劣性であるが、特にSgr A*近辺ではガンマ線の透過率効果のため例外的である可能性がある。

ABSTRACT

The IceCube neutrino discovery presents an opportunity to answer long-standing questions in high-energy astrophysics. For their own sake and relations to other processes, it is important to understand neutrinos arising from the Milky Way, which should have an accompanying flux of gamma rays. Examining Fermi TeV data, and applying other constraints up to >1 PeV, it appears implausible that the Galactic fraction of the IceCube flux is large, though could be present at some level. We address Sgr A*, where the TeV-PeV neutrinos may outrun gamma rays due to gamma-gamma opacity, and further implications, including dark matter and cosmic-ray electrons.

研究の動機と目的

• アイスカウブの高エネルギーニュートリノ放射度のうち、どれだけがミルキーウェイ銀河内部から来ているかを特定すること。
• フェルミ-LATが観測したテルバールガンマ線放射度が、アイスカウブニュートリノの銀河系起源と整合するかを評価すること。
• 特にSgr A*周辺におけるガンマ線の透過率効果が、ニュートリノ-ガンマ線相関に与える影響を評価すること。
• フェルミ-LATデータからのダークマター崩壊および宇宙線電子が高エネルギー放射に与える寄与に関する制約を検討すること。
• 強いガンマ線減衰があるにもかかわらず、銀河中心からPeVニュートリノを検出する可能性を検討すること。

提案手法

• アイスカウブの52件の含まれるニュートリノイベント（10–100 TeV）を用いて、ガウス平滑化と露出重み付けを施したニュートリノ到着方向の天の図を構築する。
• フェルミ-LATのPass 8データを用いて、銀河平面から離れた領域および銀河中心付近のテルバールガンマ線の天の図を調査する。
• アイスカウブの約10 TeVにおける有効面積（約2 m²）とフェルミ-LATの幾何的受容度（1 TeV未満で約2.5 m² sr）を比較し、統計的同等性を評価する。
• フェルミ-LATおよび大気チェレンコフ望遠鏡（HESS、VERITAS）からのガンマ線放射度の上限を用いて、銀河系ニュートリノ生成を制約する。
• Sgr A*近辺のガンマ線の$\gamma\gamma$透過率効果が、ガンマ線が吸収される一方でニュートリノは脱出可能である可能性を評価する。
• ダークマター崩壊モデルとその予測するガンマ線およびニュートリノ放射度を、フェルミ-LAT観測と比較して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATが観測したテルバールガンマ線放射度と整合する銀河系ニュートリノ寄与は、アイスカウブニュートリノ放射度に妥当か？
• RQ2 ガンマ線が$\gamma\gamma$過程によって強く減衰する場合、銀河中心からの高エネルギーニュートリノ信号はSgr A*によって説明可能か？
• RQ3 フェルミ-LATおよびACTsが得た銀河平面から離れた領域における低放射度ガンマ線が、銀河系ニュートリノ成分の存在に与える制約は何か？
• RQ4 ダークマター崩壊や宇宙線電子源が、対応するガンマ線信号が存在しない状況で観測された高エネルギー放射をどの程度説明できるか？
• RQ5 アイスカウブとフェルミ-LATの有効面積は約10 TeVでどの程度同等か？ これはニュートリノとガンマ線検出の統計的一致性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• フェルミ-LATが銀河平面から離れた領域で観測したガンマ線放射度は、アイスカウブニュートリノ放射度における大きな銀河系寄与を支持できない。
• HESSおよびVERITASが測定した1–10 TeV範囲の観測ガンマ線放射度は、アイスカウブの全天空信号と同等の平均的スケールのニュートリノ放射度と整合しない。
• アイスカウブの約10 TeVにおける有効面積（約2 m²）は、フェルミ-LATの幾何的受容度と同等であり、もしある種の大きな銀河系ニュートリノ放射度が存在すれば、検出可能なガンマ線対応が観測されていなければならないことを示唆している。
• Sgr A*は、強い$\gamma\gamma$透過率効果のため、例外的である可能性がある。これはPeVニュートリノが脱出可能である一方でガンマ線放射が抑制される可能性を示唆する。
• フェルミ-LATの感度範囲内で、銀河中心付近の銀河平面から離れた領域には、ダークマター崩壊に起因する対称的かつ減少する信号は観測されなかった。
• フェルミ-LATによるガンマ線放射の上限は、少数の計数と整合しており、アイスカウブ放射度の主たる銀河系起源を支持しない。