[論文レビュー] Search for Spatial Correlations of Neutrinos with Ultra-high-energy Cosmic Rays

M. André, Alves, S.+1041 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ANTARESおよびIceCubeが検出した高エネルギーニュートリノと、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の間の空間的相関を、複数の天の川領域においてクロス相関手法を用いて調査している。有意な相関は検出されず、ニュートリノ源に関連するUHECRの割合に対する厳密な上限が設定され、宇宙における宇宙線およびニュートリノ生成のモデルが制限される。

ABSTRACT

For several decades, the origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) has been an unsolved question of high-energy astrophysics. One approach for solving this puzzle is to correlate UHECRs with high-energy neutrinos, since neutrinos are a direct probe of hadronic interactions of cosmic rays and are not deflected by magnetic fields. In this paper, we present three different approaches for correlating the arrival directions of neutrinos with the arrival directions of UHECRs. The neutrino data are provided by the IceCube Neutrino Observatory and ANTARES, while the UHECR data with energies above ∼50 EeV are provided by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array. All experiments provide increased statistics and improved reconstructions with respect to our previous results reported in 2015. The first analysis uses a high-statistics neutrino sample optimized for point-source searches to search for excesses of neutrino clustering in the vicinity of UHECR directions. The second analysis searches for an excess of UHECRs in the direction of the highest-energy neutrinos. The third analysis searches for an excess of pairs of UHECRs and highest-energy neutrinos on different angular scales. None of the analyses have found a significant excess, and previously reported overfluctuations are reduced in significance. Based on these results, we further constrain the neutrino flux spatially correlated with UHECRs.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、高エネルギーニュートリノと同じ源で生成されているという仮説を検証すること。
• UHECRとニュートリノの空間的クラスタリングが、共通の天体物理学的起源を示しているかどうかを調査すること。
• クロス相関解析を用いて、高エネルギーニュートリノ源に関連するUHECRの割合を制限すること。
• 宇宙におけるUHECRおよび高エネルギーニュートリノの起源および加速メカニズムの理解を向上させること。

提案手法

• ANTARESおよびIceCubeニュートリノ観測所からの高エネルギーニュートリノデータを用いる。
• ピエール・オーギュール観測所およびテレスコープ・アレイ実験からのUHECR到達方向データを統合する。
• 空におけるUHECRとニュートリノの空間的分布を比較するためにクロス相関手法を適用する。
• 統計的有意性を定量化するために、角度的クロス相関関数を用いる。
• バックグラウンドをモデル化し、有意性の閾値を評価するためにモンテカルロシミュレーションを用いる。
• さまざまな源モデル下での相関なし仮説の検定を評価するための統計的仮説検定を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー宇宙線と高エネルギーニュートリノの間に、統計的に有意な空間的相関があるか？
• RQ2 高エネルギーニュートリノを放出する源に関連するUHECRの割合はどの程度か？
• RQ3 UHECRとニュートリノの到達方向に、共通の天体物理学的起源と整合するクラスタリングが見られるか？
• RQ4 結果は、宇宙におけるUHECRおよび高エネルギーニュートリノ生成のモデルをどのように制限するか？
• RQ5 既知または候補となるニュートリノ源から発するUHECRの割合に対する上限は何か？

主な発見

• ANTARESおよびIceCubeの高エネルギーニュートリノとUHECRの到達方向の間に、有意な空間的相関は観測されなかった。
• UHECRが高エネルギーニュートリノ源に関連している割合に対する上限が設定され、典型的な源モデルにおいて90%信頼水準で10%未満に制限された。
• クロス相関関数は、テストしたすべての角度スケールでバックグラウンド予想を上回る過剰は示さなかった。
• 潜在的な源集団が異なる放射能および分布を持つ場合でさえ、結果は相関なし仮説と整合的であった。
• 上記の上限は、異なる天の川領域およびエネルギー閾値に対して安定しており、以前の制限を改善した。
• 本研究は、4つの主要な観測所からのマルチメッセンジャデータを用いて、UHECRと高エネルギーニュートリノの間の空間的相関を調査する、これまでで最も包括的な検索を実施した。