[論文レビュー] Search for muon neutrinos from Gamma-Ray Bursts with the IceCube neutrino telescope

Abbasi, R.|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 75被引用数 98

ひとこと要約

本論文は、アイスカウブ・ニュートリノ望遠鏡が22本のケーブル構成で運用していた時期の41個のガンマ線バースト（GRBs）から高エネルギーのミュオンニュートリノを探索した。測定された人工衛星パラメータを用いて各GRBごとのニュートリノスペクトルを計算し、有意な信号は得られなかった。ニュートリノフルエンスの90%信頼区間上限を設定した。プロンプト状態（72 TeV–6.5 PeV）では3.7×10⁻³ erg cm⁻²、プリカーソル状態（2.2 TeV–55 TeV）では2.3×10⁻³ erg cm⁻²、広い時間窓（3 TeV–2.8 PeV）では2.7×10⁻³ erg cm⁻²であり、E⁻²フラックスを仮定している。

ABSTRACT

We present the results of searches for high-energy muon neutrinos from 41 gamma- ray bursts (GRBs) in the northern sky with the IceCube detector in its 22-string con- figuration active in 2007/2008. The searches cover both the prompt and a possible precursor emission as well as a model-independent, wide time window of -1 h to +3 h around each GRB. In contrast to previous searches with a large GRB population, we do not utilize a standard Waxman?Bahcall GRB flux for the prompt emission but calcu- late individual neutrino spectra for all 41 GRBs from the burst parameters measured by satellites. For all three time windows the best estimate for the number of signal events is zero. Therefore, we place 90percent CL upper limits on the fluence from the prompt phase of 3.7 x 10-3 erg cm-2 (72TeV - 6.5 PeV) and on the fluence from the precursor phase of 2.3 x 10-3 erg cm-2 (2.2TeV - 55TeV), where the quoted energy ranges contain 90percent of the expected signal events in the detector. The 90percent CL upper limit for the wide time window is 2.7 x 10-3 erg cm-2 (3TeV - 2.8 PeV) assuming an E-2 flux.

研究の動機と目的

• 2007年6月から2008年4月にかけて北半球で観測された41個のガンマ線バーストと関連する高エネルギーのミュオンニュートリノを探索すること。
• 標準のワクスマン＝バハールフラックスを仮定するのではなく、測定された人工衛星パラメータを用いて各GRBごとの個別ニュートリノスペクトルを計算すること。
• GRBが高エネルギー宇宙線の源であるという仮説を検証するために、プロンプト状態、プリカーソル状態、広い時間窓の各発光段階からのニュートリノフルエンスの上限を設定すること。
• 以前の探索と比較して、より大きなアイスカウブ検出器構成を活用することで、GRBからのニュートリノ放射に対する感度を向上させること。
• 今後の理論モデルとの比較のため、モデルに依存しないGRBニュートリノ放射の制約を提供すること。

提案手法

• 人工衛星観測から得られた個々のGRBパラメータ（等方的放射度、変動時標、スペクトル折りたたみエネルギーなど）を用いて、源に特化したニュートリノスペクトルを計算した。
• 陽子がフェルミ機構で加速される火球モデルを適用し、10²⁰ eVまでE⁻²の陽子スペクトルを仮定し、光間子反応断面積を用いて対応するニュートリノフラックスを計算した。
• エネルギー依存性を持つ移動分率（⟨xp→π⟩=0.2）と陽子平均自由行程に対する衝撃波サイズ（λpγ）を用いてニュートリノフルエンスを計算し、エネルギー保存則と物理的整合性を確保した。
• 3つの独立した探索を実施した：トリガー直後の10秒以内のプロンプト放射、トリガー以前のプリカーソル放射、各バーストの周囲で−1時間から+3時間までの広い時間窓での探索。
• 検出器応答シミュレーションを用いて、各探索窓で期待される信号イベントの90%が含まれるエネルギー範囲を特定した。
• バックグラウンドのみの仮説を用いた検定を行い、観測された信号イベントがゼロであったことから、90%信頼区間上限としてニュートリノフルエンスの上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のGRBパラメータと物理的モデルを前提とした場合、GRBのプロンプト状態からのミュオンニュートリノフルエンスの上限は何か？
• RQ2 メインのGRBトリガーの前における可能性のあるプリカーソル放射からのミュオンニュートリノフルエンスの上限は何か？
• RQ3 特定の発光モデルを仮定せずに、広い時間窓（−1時間から+3時間）で探索した場合、GRBからのニュートリノフルエンスの上限は何か？
• RQ4 アイスカウブの22本ケーブル構成における感度は、以前の探索と比較してプリカーソル状態の上限にどの程度向上しているか？
• RQ5 観測された上限は、特にE⁻²フラックスを予測する理論的GRBニュートリノ放射モデルをどの程度制約しているか？

主な発見

• 3つの探索窓すべてで有意な信号は観測されず、バックグラウンドのみの仮説と整合的であった。
• プロンプト状態からのニュートリノフルエンスの90%信頼区間上限は3.7×10⁻³ erg cm⁻²であり、エネルギー範囲は72 TeVから6.5 PeVまでである。
• プリカーソル状態からのニュートリノフルエンスの90%信頼区間上限は2.3×10⁻³ erg cm⁻²であり、エネルギー範囲は2.2 TeVから55 TeVまでである。
• 広い時間窓（−1時間から+3時間）からのニュートリノフルエンスの90%信頼区間上限は2.7×10⁻³ erg cm⁻²であり、E⁻²フラックスを仮定し、エネルギー範囲は3 TeVから2.8 PeVまでである。
• プリカーソル状態の上限は、より小さなGRBサンプルであるにもかかわらず、より大きなアイスカウブ検出器構成のおかげで1.4倍向上した。
• プロンプト状態ではワクスマン＝バハール予測値の72倍、プリカーソル状態では9.7倍高い上限であったため、現在のデータではモデルはまだ制約されていない。