[論文レビュー] Problems and Prospects from a Flood of Extragalactic TeV Neutrinos in IceCube

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、アイスカイブが検出した高エネルギーの銀河間TeVニュートリノフラックスの天体物理学的起源を調査し、活動銀河核（AGN）内の赤外背景および磁場がガンマ線カスケードを抑制し、エネルギーをX線に再分配することで、ニュートリノフラックスとフェルミの等方的ガンマ線背景の整合性をとることを提案する。主な結果として、銀河間源における妥当な条件が、GeVガンマ線の過剰生成を引き起こさずに観測されたニュートリノスペクトルを説明可能であることが示された。

ABSTRACT

The steep spectrum of neutrinos measured by IceCube extending from >1 PeV down to ~10 TeV has an energy flux now encroaching on the Fermi isotropic GeV background. We examine several implications starting from source energetics requirements for neutrino production. We show how the environment of extragalactic nuclei can extinguish ~10-100 TeV gamma rays and convert their energy to X-rays for plausible conditions of infrared luminosity and magnetic field, so that the Fermi background is not overwhelmed by cascades. We address a variety of scenarios, such as for acceleration by supermassive black holes and hadronic scenarios, and observations that may help elucidate the neutrinos' shadowy origins.

研究の動機と目的

• 観測されたアイスカイブのTeVニュートリノフラックスとフェルミの等方的ガンマ線背景（IGB）の間に生じる矛盾を解消すること。これは、関連するガンマ線が減衰せずに放出された場合、GeVガンマ線が過剰に生成されることを意味する。
• 特に活動銀河核（AGN）や星形成銀河を含む、銀河間源における妥当な天体物理学的環境が、ガンマ線制約に反しない形で必要なニュートリノフラックスを生成できるかどうかを検討すること。
• 赤外（IR）光子場および磁場が、$\gamma\gamma \to e^+e^-$対生成を介して高エネルギーガンマ線を抑制し、その後のX線変換を引き起こす役割を評価すること。
• 観測された$E^{-2.7}$ニュートリノスペクトルを説明するためのハドロン的生成メカニズム（例：$p\gamma$および$pp$衝突）の妥当性を評価すること。
• ニュートリノ源と検出可能な電磁的対応物ととしての、ハードX線放射のような観測可能なシグネチャを同定すること。

提案手法

• GeVガンマ線の過剰生成を避けるために、ニュートリノ生成に破れた指数スペクトル（~10 TeVでスペクトルの折り返し）を仮定するヒューリスティックモデルを構築する。
• プロトンエネルギーが$\sim$10 TeVニュートリノを生成するのに必要な値を、$p\gamma$閾値条件を用いて推定する（$\sim$200 TeVプロトンを想定）。
• ガンマ線の減衰を評価するため、$\gamma\gamma \to e^+e^-$対生成断面積および光学的厚さの計算を、赤外線に富んだ環境に適用する。
• 磁場が電子・陽電子対カスケードに与える影響を評価し、強い磁場がエネルギーをGeVガンマ線ではなくハードX線に誘導する可能性を示す。
• 宇宙源の進化を含む／含まないモデルを用いて、予測されたガンマ線フラックス（カスケードあり・なし）をフェルミIGBと比較する。
• 超新星の発生率および星形成率（SFR）に比例するニュートリノ発光度をスケーリングすることで源のエネルギー収支を推定し、超新星寄与が全ニュートリノフラックスと同等であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ~10–100 TeVのアイスカイブのニュートリノフラックスは、GeVガンマ線の過剰生成を引き起こさずに、フェルミの等方的ガンマ線背景と整合することができるか？
• RQ2 銀河間源内の赤外光子場が、$\gamma\gamma$対生成およびカスケード誘発ガンマ線過剰生成をどれほど抑制できるか？
• RQ3 源環境内の磁場が、カスケード過程からのエネルギーをハードX線に変換し、代替の電磁的対応物を提供できるか？
• RQ4 観測されたニュートリノスペクトル（$E^{-2.7}$に緩和）および源のエネルギー収支が、粒子加速および相互作用メカニズムに課す制約は何か？
• RQ5 ハードX線放射のような検出可能な電磁的対応物は、高エネルギーニュートリノ源を特定する手がかりとなるか？

主な発見

• 銀河間核における妥当な赤外線発光度は、$\gamma\gamma \to e^+e^-$対生成を介して~10–100 TeVガンマ線を抑制し、GeVガンマ線の過剰生成を防ぐことができる。
• 銀河中心などに存在しうる強力な磁場は、カスケード過程からのエネルギーをGeVガンマ線ではなくハードX線に誘導し、検出可能な電磁的対応物を提供する。
• 観測された$E^{-2.7}$ニュートリノスペクトルは、$E_p \gtrsim 100$ TeVのプロトンカットオフを持つ源が支配的でない限り、単一の源集団では説明が困難であり、多様な源集団の存在を示唆する。
• 超新星からの全ニュートリノエネルギー予算は、$\sim$100 TeVのプロトンカットオフを仮定すると、1超新星あたり$\sim$4×10^49 ergに達し、標準的な10^50 ergの40％に近づく。これは非常に高い効率を示唆する。
• フェルミIGBがブレーザーによって飽和している場合でも、$\gamma\gamma$吸収および磁場誘導X線放射によりガンマ線が抑制されれば、ニュートリノ生成は依然として説明可能である。
• このモデルは、強いIRおよび磁場を持つ源からのハードX線放射が、アイスカイブの高エネルギーニュートリノ源を特定するための重要な観測的シグネチャである可能性を示唆している。