[論文レビュー] Photopion Production in Black-Hole Jets and Flat-Spectrum Radio Quasars as PeV Neutrino Sources

C. D. Dermer, Kohta Murase+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、相対論的ジェットを有する平坦スペクトル電波クェเซイター（FSRQ）が、超高エネルギー宇宙線陽子と幅広いライン領域（BLR）光子の間の光子崩壊反応によってペブロン・ニュートリノを生成可能であると提唱する。モデルは、光子崩壊の閾値効果により、約1 PeV未塔のニュートリノフラックスが抑制されることを予測しており、これはIceCubeデータが1 PeV未塔のエネルギーで過剰な事象を示さないのと整合的である。また、FSRQは観測された高エネルギーニュートリノの有効な源である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The IceCube collaboration has reported neutrinos with energies between ~30 TeV and a few PeV that are significantly enhanced over the cosmic-ray induced atmospheric background. Viable high-energy neutrino sources must contain very high-energy and ultra-high energy cosmic rays while efficiently making PeV neutrinos. Gamma-ray Bursts (GRBs) and blazars have been considered as candidate cosmic-ray accelerators. GRBs, including low-luminosity GRBs, can be efficient PeV neutrino emitters for low bulk Lorentz factor outflows, although the photopion production efficiency needs to be tuned to simultaneously explain ultra-high-energy cosmic rays. Photopion production efficiency of cosmic-rays accelerated in the inner jets of flat spectrum radio quasars (FSRQs) is ~1-10% due to interactions with photons of the broad-line region (BLR), whereas BL Lac objects are not effective PeV neutrino sources due to the lack of external radiation fields. Photopion threshold effects with BLR photons suppress neutrino production below ~1 PeV, which imply that neutrinos from other sources would dominate over the diffuse neutrino intensity at sub-PeV energies. Reduction of the >> PeV neutrino flux can be expected when curving cosmic-ray proton distributions are employed. Considering a log-parabolic function to describe the cosmic-ray distribution, we discuss possible implications for particle acceleration in black-hole jets. Our results encourage a search for IceCube PeV neutrino events associated with gamma-ray loud FSRQs using Fermi-LAT data. In our model, as found in our previous work, the neutrino flux is suppressed below 1 PeV, which can be tested with increased IceCube exposure.

研究の動機と目的

• IceCubeが観測した高エネルギーニュートリノ（30 TeV–2 PeV）を説明するため、妥当な天体的源を同定すること。
• FSRQジェット内での光子崩壊生成が、観測された拡散的PeVニュートリノフラックスを説明できるかどうかを調査すること。
• IceCubeデータが示唆するように、約1 PeV未塔のニュートリノフラックスが抑制される理由を理解すること。
• 宇宙線陽子分布とドーブラー効果がニュートリノスペクトルに与える影響を評価すること。
• 外部放射場の存在があるため、BL Lac対象ではなくFSRQが効率的なPeVニュートリノ源であるという仮説を検証すること。

提案手法

• プロトンが幅広いライン領域（BLR）光子と反応する光子崩壊反応 p + γ → Δ → p + π を用いて、FSRQジェット内での光子崩壊生成をモデル化する。
• π中間子生成の閾値条件を適用：γ_p ε* ≥ m_π / m_e ≈ 300 ここで ε* はプロトン静止系における光子エネルギーである。
• 非弾性度と断面積の積 K_φπ(ε̄_r)σ_φπ(ε̄_r) ≈ σ̂ H(ε̄_r - ε̄_thr) を用い、σ̂ = 70 μb および ε̄_thr ≈ 300 とする。
• 対数放物型宇宙線陽子分布を用いて、陽子エネルギー損失 timescale とニュートリノ生成効率を計算する。
• ドーブラー係数 δ_D とそのニュートリノエネルギーおよびフラックスに与える影響を評価し、δ_D ≈ 11L_48^{1/4}/(t_var^{1/4} f_0^{1/4} 10^{1/16b} ε_pk^{1/4}) を用いてジェットの幾何構造を記述する。
• 予測結果をIceCubeデータと比較し、特に約2 PeVを超える事象が観測されないことと、1 PeV未塔での抑制が確認されることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FSRQジェット内での光子崩壊生成が、観測されたIceCubeのPeVニュートリノフラックスを説明できるか？
• RQ2 なぜ拡散的ニュートリノフラックスは約1 PeV未塔で抑制されるのか？これは光子崩壊の閾値効果と整合的か？
• RQ3 なぜBL Lac対象はFSRQと比べて効率の悪いPeVニュートリノ源であるのか？
• RQ4 曲がった宇宙線陽子分布（例：対数放物型）が予測されるニュートリノスペクトルに与える影響は何か？
• RQ5 Fermi-LATとIceCubeのマルチメッセンジャーデータを用いて、このモデルを検証できるか？

主な発見

• FSRQジェット内での光子崩壊生成効率は、BLR光子との相互作用により1–10%程度に推定される。
• 光子崩壊の閾値効果により、約1 PeV未塔のニュートリノフラックスが抑制され、IceCube観測で1 PeV未塔のエネルギーで過剰事象が観測されないのと整合的である。
• モデルはニュートリノスペクトルに約1 PeVのカットオフを予測しており、Lyman-α光子の場合、E_ν ≈ 0.05 m_p c^2 (m_π / m_e ε*) となる。
• BL Lac対象は、BLRのような強い外部放射場が存在しないため、効率の悪いPeVニュートリノ源である。
• 対数放物型陽子分布を用いることで、高エネルギーのニュートリノフラックスが低下し、IceCubeデータで約2 PeVを超える事象が観測されないのと整合する。
• モデルは、高エネルギーニュートリノイベントとγ線強度の高いFSRQとの間で検出可能な相関関係を予測しており、Fermi-LATデータを用いた調査を支援する。