[論文レビュー] Search for 10--1000 GeV neutrinos from Gamma Ray Bursts with IceCube

IceCube Collaboration, Rasha Abbasi+407 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 25被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、8年間のIceCubeデータを用いて、2,268個のガンマ線バースト（GRBs）から10–1000 GeVのニュートリノを探索し、2つの統計的手法を用いて相関の有無を検証した。有意なニュートリノ放射は検出されず、最も顕著なGRB（Fermi-GBM bn 140807500）では、事後試行p値が0.097であった。全GRBの統合解析ではp値が0.65となり、このエネルギー範囲におけるGRB関連のニュートリノの証拠は示されなかった。

ABSTRACT

We present the results of a search for 10--1,000 GeV neutrinos from 2,268 gamma-ray bursts over 8 years of IceCube-DeepCore data. This work probes burst physics below the photosphere where electromagnetic radiation cannot escape. Neutrinos of tens of GeVs are predicted in sub-photospheric collision of free streaming neutrons with bulk-jet protons. In a first analysis, we searched for the most significant neutrino-GRB coincidence using six overlapping time windows centered on the prompt phase of each GRB. In a second analysis, we conducted a search for a group of GRBs, each individually too weak to be detectable, but potentially significant when combined. No evidence of neutrino emission is found for either analysis. The most significant neutrino coincidence is for Fermi-GBM GRB bn 140807500, with a p-value of 0.097 corrected for all trials. The binomial test used to search for a group of GRBs had a p-value of 0.65 after all trial corrections. The binomial test found a group consisting only of GRB bn 140807500 and no additional GRBs. The neutrino limits of this work complement those obtained by IceCube at TeV to PeV energies. We compare our findings for the large set of GRBs as well as GRB 221009A to the sub-photospheric neutron-proton collision model and find that GRB 221009A provides the most constraining limit on baryon loading. For a jet Lorentz factor of 300 (800), the baryon loading on GRB 221009A is lower than 3.85 (2.13) at a 90% confidence level.

研究の動機と目的

• Fermi-GBMおよび他の観測所が検出したガンマ線バースト（GRBs）と、高エネルギーニュートリノ（10–1000 GeV）との間の相関を検証すること。
• IceCube-DeepCoreが10–1000 GeV範囲のGRBからのニュートリノ放射に対して有する感度を評価すること。
• 特に非常に明るいGRB 221009Aに対して、ニュートリノの非検出に基づいてジェットのバリオン負荷を制約すること。
• 個々のバーストの有意性と集団的グループの有意性を評価する2つの異なる統計的手法の性能を検証すること。
• サブフォトスフィア的ニュートリノ発生モデルが、GRB 221009Aおよび広範なGRBサンプルに与える影響を検討すること。

提案手法

• 2012年4月から2018年10月までの8年間のIceCubeデータ（DeepCoreおよび全IceCubeアレイで再構築されたイベントを含む）を用いる。
• 2つの統計的解析手法を適用する：(1) 最も顕著な個別GRB-ニュートリノ相関の特定、(2) まとまりとして有意である可能性のあるGRB群の集団的検定。
• 両手法において多重検定補正のための事後試行p値を用い、誤検出に対する耐性を確保する。
• 理論的ニュートリノフラックステンプレートを用いて、特にGRB 221009Aに対して、サブフォトスフィア的モデルの予測と観測されたニュートリノイベントレートを比較する。
• GRB 221009Aからのニュートリノ放射に関する既存の上限を用い、サブフォトスフィア的モデル下でのジェットのバリオン負荷を制約する。
• GRB 221009Aのサブフォトスフィア的モデル予測と、プロンプトガンマ線フラエンス測定が可能な2,264個の他のGRBからの合計信号との間の統計的比較を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IceCubeデータセットにおいて、10–1000 GeVニュートリノと個々のGRBとの間に統計的に有意な相関は存在するか？
• RQ2 個々のバーストが有意でない場合でも、2,268個のGRBをまとめて解析した際に、ニュートリノ放射の兆候が見られるか？
• RQ3 サブフォトスフィア的モデルは、GRB 221009Aのニュートリノフラックスを、他の2,264個のGRBからの合計フラックスと比較してどのように予測するか？
• RQ4 ニュートリノの非検出に基づいて、GRB 221009Aのジェットにおけるバリオン負荷にどのような制限を課すことができるか？
• RQ5 IceCube-DeepCoreが10–1000 GeVニュートリノに対して有する感度は、他のエネルギー範囲と比較してどうか？また、IceCube-Upgradeによる改善は予想されるか？

主な発見

• 10–1000 GeVニュートリノと個々のGRBとの間に有意な相関は検出されず、最も顕著なイベント（Fermi-GBM bn 140807500）の事後試行p値は0.097であった。
• 全2,268個のGRBを統合した解析ではp値が0.65となり、集団的信号の証拠は示されなかった。
• サブフォトスフィア的モデルでは、GRB 221009AがIceCube-DeepCoreで他の2,264個のGRBの合計信号よりも6倍以上強いニュートリノ信号を発生させると予測される。
• GRB 221009Aに関して、90%信頼水準でのバリオン負荷の上限は、ジェットのローレンツ因子が300の場合3.85、800の場合2.13であった。
• GRB 221009Aからのニュートリノ非検出は、ジェットのバリオン汚染が低いモデルを支持する。
• 本結果は、IceCube-DeepCoreが明るいGRBからの100 GeV未満のニュートリノ信号に感度を持つことを示しており、今後のアップグレードでこのエネルギー範囲における角度分解能と感度が向上すると予想される。