[論文レビュー] Point source searches with the ANTARES neutrino telescope

S. Toscano|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2009

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

ひとこと要約

本論文は、ANTARESニュートリノ望遠鏡の5ライン構成（140日間の有効時間）を用いた、最初の点源ニュートリノ探索を提示する。期待最大化（EM）アルゴリズムに基づく非ボーリング尤度法が用いられている。顕著な過剰は観測されなかったが、分析により南半球の点源からの高エネルギーニュートリノフラックスに対する、これまでで最も厳しい上限が得られ、E⁻²スペクトルの場合、90%信頼水準で約3.1–9.2 × 10⁻¹⁰ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹に達する。

ABSTRACT

With the installation of its last two lines in May 2008, ANTARES is currently the largest neutrino detector in the Northern Hemisphere. The detector comprises 12 detection lines, carrying 884 ten-inch photomultipliers, at a depth of about 2500 m in the Mediterranean Sea, about 40 km off shore Toulon in South France. Thanks to its exceptional angular resolution, better than 0.3 degree above 10 TeV, and its favorable location with the Galactic Center visible 63% of time, ANTARES is specially suited for the search of astrophysical point sources. Since 2007 ANTARES has been taking data in smaller configurations with 5 and 10 lines. With only 5 lines it already has been possible to set the most restrictive upper limits in the Southern sky. In this contribution we present the search of point sources with the 5-line data sample.

研究の動機と目的

• ANTARESニュートリノ望遠鏡の5ライン構成における140日間のデータを用いて、高エネルギー天体物理学的ニュートリノ点源の探索を行う。
• 5ライン検出器を用いて、南の空における宇宙ニュートリノフラックスの最初の競争可能な上限を確立する。
• 点源探索におけるニュートリノ望遠鏡の非ボーリング尤度法（期待最大化アルゴリズムに基づく）の性能を検証する。
• 事前の源仮定なしに全天空を盲検索することで、有意性推定のバイアスを回避する。

提案手法

• 右赤経と赤緯における信号＋背景混合の尤度を最大化する非ボーリング尤度解析を、期待最大化（EM）アルゴリズムを用いて実施する。
• 背景密度は、品質カットを施した実データの赤緯分布からモデル化され、右赤経方向には一様性を仮定する。
• 信号モデルは、E⁻²ニュートリノスペクトルを持つ点源として定義され、角度分解能と有効面積はモンテカルロシミュレーションから導出される。
• 品質カットとして、Λ < -4.7 および高度 < -10° を適用し、大気ミューオンを抑制することで、汚染を20%にまで低減する。
• 非ボーリングEM法の結果を検証するため、ボーリング手法を併用する。
• 統計的有意性はベイジアン情報基準（BIC）およびP値を用いて評価され、複数の源候補に対する試行後補正が適用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5ラインANTARESデータを用いて、南の空の既知の天体物理学的点源からの高エネルギーニュートリノフラックスの上限は何か？
• RQ2 統計的サンプルが限られる状況下で、非ボーリングEMアルゴリズムは背景を超える顕著な過剰を検出できるか？
• RQ3 5ラインANTARES構成の点源フラックスに対する感度は、過去の実験と比較してどの程度か？
• RQ4 事前の源仮定なしに全天空を盲検索した場合、任意の潜在的過剰の有意性は何か？

主な発見

• 5ラインデータ標本において、統計的に顕著なニュートリノ源過剰は観測されず、すべてのP値が背景揺らぎと整合的であった。
• 試行前で最も顕著な過剰（2.8σ）は、右赤経RA = 155.8°、赤緯δ = -57.76°（HESS J1023-575に対応）で観測され、25の源を想定した試行後確率は10%であった。
• E⁻²スペクトルにおけるνμフラックスの90%信頼水準上限は、PSR B1259-63に対して3.1 × 10⁻¹⁰ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹であり、サンプル内で最もきつい上限であった。
• ANTARESの上限は、同じエネルギー範囲においてMACRO、AMANDA、SuperKamiokandeのものと同等またはそれ以上に優れていた。
• 全天空の盲検索において、最高のBIC値は右赤経RA = 243.9°、赤緯δ = -63.7°で1σの過剰に対応し、顕著な過剰は観測されなかった。
• ANTARES 5ライン構成は、10 TeVで0.5°未満の角度分解能を達成し、10 TeVで約4 × 10⁻² m²の有効面積を有しており、高感度の点源探索が可能であった。