[論文レビュー] Searches for neutrinos in the direction of radio-bright blazars with the ANTARES telescope

ANTARES Collaboration, A. Albert+163 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 68被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ANTARESニュートリノ望遠鏡を用いて、VLBIカタログに掲載された電波が明るいブラザールから高エネルギーニュートリノを探索し、方向性および時間依存性の解析を実施した。2つのブラザール（J1355−6326：3.7σ、J1826+1831：3.3σ）で、電磁的活動と相関するニュートリノフレアの懸念材料が得られ、J0242+1101ではニュートリノ放出と多波長フレアの有意な時間的一致（p = 0.5%）が観測され、ブラザールにおけるニュートリノフレアと電磁フレアの潜在的な関連性が示唆された。

ABSTRACT

Active galaxies, especially blazars, are among the most promising neutrino source candidates. To date, ANTARES searches for these objects considered GeV-TeV $γ$-ray bright blazars. Here, a statistically complete radio-bright blazar sample is used as the target for searches of origins of neutrinos collected by the ANTARES neutrino telescope over 13 years of operation. The hypothesis of a neutrino-blazar directional correlation is tested by pair counting and by a complementary likelihood-based approach. The resulting post-trial $p$-value is $3.0\%$ ($2.2σ$ in the two-sided convention), possibly indicating a correlation. Additionally, a time-dependent analysis is performed to search for temporal clustering of neutrino candidates as a mean of detecting neutrino flares in blazars. None of the investigated sources alone reaches a significant flare detection level. However, the presence of 18 sources with a pre-trial significance above $3σ$ indicates a $p=1.4\%$ ($2.5σ$ in the two-sided convention) detection of a time-variable neutrino flux. An extit{a posteriori} investigation reveals an intriguing temporal coincidence of neutrino, radio, and $γ$-ray flares of the J0242+1101 blazar at a $p=0.5\%$ ($2.9σ$ in the two-sided convention) level. Altogether, the results presented here suggest a possible connection of neutrino candidates detected by the ANTARES telescope with radio-bright blazars.

研究の動機と目的

• ANTARES望遠鏡が検出する高エネルギーニュートリノの源として、電波が明るいブラザールが寄与しているかどうかを調査すること。
• 特に電波帯およびガンマ線帯における電磁フレアとニュートリノイベントの時間的相関をテストすること。
• 特にIceCubeのHESE測定と関連して、さまざまなスペクトル仮定のもとでのブラザールからのニュートリノフラックスを制限すること。
• 複数の試行および試行要因を補正した上で、観測されたニュートリノフレアの有意性を評価すること。
• ブラザールが拡散的高エネルギーニュートリノ背景の主要成分を占めている可能性を検討すること。

提案手法

• 2007年から2017年までのANTARESデータを用い、VLBIカタログに記載された107個の電波が明るいブラザールからのニュートリノを方向性探索した。
• エネルギースペクトルを指数関数的パワー則（E−γ）と仮定し、尤度に基づく手法を用いて、これらの源の方向へのニュートリノフラックスの過剰をテストした。
• アンビンダード最大尤度法を用いた時間依存解析により、トラック型およびシャワー型ニュートリノイベントにおけるフレア活動を同定した。
• 複数の試行を補正するため、事後試行p値を計算し、フレア候補の有意性を評価した。
• 電波（OVRO 40-m）およびガンマ線（Fermi-LAT）の光曲線を含む多波長データとニュートリノ光曲線を比較し、時間的一致を評価した。
• 特に100 TeVにおけるIceCube HESEフラックスへの寄与を制限するため、異なるスペクトル指数（E−γ）に対するニュートリノフラックスの上限を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波が明るいブラザールは、ANTARESで検出可能な高エネルギーニュートリノの有意な源であるか？
• RQ2 ブラザールにおけるニュートリノフレアと電磁フレアの間に統計的に有意な時間的相関があるか？
• RQ3 電波が明るいブラザールからのニュートリノフラックスの上限は何か？100 TeVにおけるIceCube HESEフラックスと比較するとどうなるか？
• RQ4 複数のフレア源による累積的効果は検出可能であり、集団レベルのニュートリノ放出パターンを示唆するか？
• RQ5 電波およびガンマ線帯における多波長フレアとニュートリノ放出との間に物理的関連性があるか？

主な発見

• 複数のブラザールからのニュートリノフレアの累積的効果が、事後試行p値0.014（2.5σ）で検出され、集団レベルの相関が可能性として示唆された。
• 最も顕著な個々のフレアは、J1355−6326（事前試行で3.7σ）およびJ1826+1831（事前試行で3.3σ）から得られたが、複数の試行を補正した後は両者とも有意性を失った。
• J0242+1101からのニュートリノフレアと、顕著な多波長電磁フレアとの間に顕著な時間的一致が確認され、偶然の確率はわずか0.5%であった。
• VLBIブラザールからのニュートリノフラックスは解析により制限され、上限値はスペクトル指数E−2.3の場合、100 TeVにおけるIceCube HESEフラックスの最大約50%まで寄与可能であると示唆された。
• 尤度に基づく手法により、VLBIフラックス密度に比例するフラックスのp値が0.03となった。これは、やや懸念材料ではあるが、まだ決定的ではない相関を支持する。
• 結果から、ブラザールからのニュートリノ放出は非常に変動的であり、電磁フレアと関連している可能性があるが、他の源種別（例えば、銀河系成分を含む可能性のあるもの）が拡散的ニュートリノ背景に寄与していると考えられる。