[論文レビュー] Searching for TeV gamma-ray emission associated with IceCube high-energy neutrinos using VERITAS

M. Santander|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、アイスキューブが検出した高エネルギーのミューオンニュートリノイベントの対応するTeVガンマ線対応を探る目的として、VERITASの像空気チェレンコフ望遠鏡アレイを用いて観測した。17のニュートリノ方向に対して合計50時間以上の観測が行われたが、有意なガンマ線過剰は検出されず、カブスネビュラのフラックスの1–11%水準で99%信頼水準の上界限界が強く制約された。

ABSTRACT

A clue to finding the long-sought sources of cosmic rays is the recent observation of an astrophysical flux of high-energy neutrinos by the IceCube detector, since these possibly originate in hadronic interactions at cosmic-ray accelerators. While the neutrino sky map shows no significant indication of point sources so far, it is possible to utilize the sensitivity of Imaging Air Cherenkov Telescope (IACT) arrays, such as VERITAS, to search for hadronic gamma-ray emission from the neutrino directions. Over the last 2 years, the positions of neutrino events detected by IceCube have been observed using the VERITAS array. Observations have been limited to muon neutrino events, since their typical angular reconstruction uncertainty is below 1 degree, smaller than the 3.5-degree diameter of the VERITAS field of view. The location of VERITAS further constrains the neutrino event positions that can be observed to those located in the northern sky, or at moderate southern declinations. The list of observed positions was selected from published results and a set of high-energy muon tracks provided by IceCube. We present the current status and some preliminary results from this program.

研究の動機と目的

• アイスキューブが検出した高エネルギーのミューオンニュートリノイベントからのハドロン的ガンマ線放射を、VERITASの超高エネルギー（VHE）ガンマ線への感受性を活用して探索すること。
• 宇宙線ニュートリノがハドロン的相互作用によって生成され、同時にVHEガンマ線も生成されるという仮説を検証すること。
• 拡散ニュートリノフラックスに寄与すると考えられる可能性のある恒星間外源の数や発光度を制約するため、関連するガンマ線放射に対する上界限界を設定すること。
• 高エネルギー光子のEBL吸収を考慮しても、ニュートリノ-ガンマ線相関を用いたマルチメッセンジャー天文学の可能性を検討すること。
• 今後のリアルタイムのニュートリノアラートを組み合わせることで、瞬時的または遠方の源に対する感度を向上させること。

提案手法

• 高角分解能（<1°）かつ好都合な天の川位置を持つ17件のアイスキューブの高エネルギーミューオンニュートリノイベントを対象に、VERITASアレイを用いた標的観測を実施した。
• 合計50時間の観測時間のうち、1イベントあたり15分から574分の間で露出時間が変動した。
• 統計的試行回数を考慮し、100 GeV以上の統合フラックスに対して99%信頼水準（CL）の事前試行上界限界を計算した。
• 感度を相対単位（例：カブスネビュラフラックスの1.1%～10.9%）で表現するため、上界限界をカブスネビュラフラックスと比較した。
• 信号の有無を評価するために、有意性マップとガウスフィッティングを用い、試行補正後の過剰は2σ未満であった。
• ニュートリノフラックスの外挿（Γ=2.3）に基づき、源集団の感度を予測した。1:1のガンマ線生成効率を仮定し、EBL吸収はFranceschiniらのモデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスキューブが検出した高エネルギーのミューオンニュートリノイベントの方向に対して、VERITASを用いてTeVガンマ線放射を検出できるか？
• RQ2 これらのニュートリノイベントに関連するVHEガンマ線フラックスの上界限界は何か？ また、それらは潜在的源の数や発光度をどのように制約するか？
• RQ3 EBL吸収は、遠方のニュートリノ源からのハドロン的ガンマ線放射の検出可能性にどのように影響するか？ 低エネルギーのガンマ線は依然として観測可能か？
• RQ4 VERITASの観測結果は、拡散ニュートリノフラックスの起源を意味的に制約できるか？ 特に恒星間外源の文脈で。
• RQ5 Fermi-LATがGeVエネルギー帯で得たデータと比較すると、結果はどうなるか？ 両者の相関がないことの意味は、マルチメッセンジャーモデルにどのような示唆を与えるか？

主な発見

• 17件の観測されたニュートリノ方向すべてで有意なガンマ線過剰は検出されず、試行補正後の最大過剰はC37で<2σにとどまった。
• 17件すべてのイベントに対して、100 GeV以上の統合フラックスの99%信頼水準上界限界が導出され、3.92×10⁻¹²から2.12×10⁻¹¹ cm⁻² s⁻¹の範囲であった。
• これらの上界限界は、カブスネビュラフラックスの1.1%～10.9%に相当し、観測時間210分のC19で最も厳しい制約（1.1%）が得られた。
• 本分析は、50時間の観測で、カブスネビュラフラックスの1–2%水準の源をVERITASが検出可能であることを示している（定常放射を仮定）。
• ネガティブな結果は、もしその源が拡散ニュートリノフラックスに寄与しているならば、非常に遠方（z > 0.1）、多数存在する、またはガンマ線を低エネルギー帯でのみ放出する必要があることを示唆する。
• 今後の研究では、未観測のミューオンイベントへの観測を拡大し、アイスキューブのリアルタイムアラートを統合することで、瞬時的源に対する感度を向上させる予定である。