[論文レビュー] Searching for VHE gamma-ray emission associated with IceCube astrophysical neutrinos using FACT, H.E.S.S., MAGIC, and VERITAS

M. Santander, D. Dorner+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、4台の像空気チェレンコフ望遠鏡（FACT、H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS）を用いて、IceCubeが検出した宇宙背景ニュートリノイベントの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線対応物を探索した。広範なフォローアップ観測にもかかわらず、有意な定常的VHEガンマ線放射は検出されず、きびしいフラックス上限が設定され、ガンマ線吸収または源の微弱性が示唆された。

ABSTRACT

The detection of an astrophysical flux of high-energy neutrinos by IceCube is a major step forward in the search for the origin of cosmic rays, as this emission is expected to originate in hadronic interactions taking place in or near cosmic-ray accelerators. No neutrino point sources, or a significant correlation with known astrophysical objects, have been identified in the IceCube data so far that could reveal the location of the neutrino emission sites. The hadronic interactions responsible for the neutrino emission should also lead to the production of high-energy gamma rays from neutral pion decays. The search for neutrino sources can therefore be performed by studying the spatial and temporal correlations between neutrino events and very-high-energy (VHE, E > 100 GeV) gamma rays. We report on the search for VHE gamma-ray emission at the reconstructed position of muon neutrino events detected by IceCube using the FACT, H.E.S.S., MAGIC, and VERITAS imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). No significant steady gamma-ray counterparts have been identified for the neutrino events observed so far. Finally, we outline recent programs to perform prompt IACT observations of realtime IceCube neutrino event positions.

研究の動機と目的

• IceCubeが検出した高エネルギーニュートリノイベントに関連するVHEガンマ線対応物を特定すること。マルチメッセンジャー天文学を活用する。
• 宇宙加速器におけるハドロン反応から生じる相関するVHEガンマ線放射の探索を通じて、ニュートリノ源の性質を制約すること。
• IceCubeの低遅延アラートに応じたIACTによるリアルタイムフォローアップ観測の可能性と有効性を評価すること。
• IceCubeニュートリノイベント位置付近の潜在的VHEガンマ線源に対するフラックス上限を設定し、源の透過率および放射メカニズムに関するモデルに情報を与えること。
• 全天にわたるニュートリノイベントとVHEガンマ線活動との間に、空間的または時間的相関が統計的に有意であるかを評価すること。

提案手法

• IceCubeのHESE、HEMU2、HEMU6解析で得られたミュオンニュートリノイベントの再構築位置に対して、4台のIACT（FACT、H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS）によるフォローアップ観測を実施した。
• 高い角度分解能（50%誤差円 < 1°）と高いエネルギーを持つイベントに焦点を当て、これらは宇宙背景ニュートリノとしての起源がより高い可能性を示す。
• 各IACTの感度に基づき、エネルギーに依存するエネルギー閾値（100–170 GeV）を設定した。この閾値は、ガンマ線受容率が最大値の10%に達するエネルギーとして計算された。
• 指数スペクトルがE⁻²であると仮定し、50%局在誤差領域をカバーする95%信頼水準の積分フラックス上限マップを構築した。
• 統計的信頼性を確保するため、10個以上のイベントを有するOFF領域バックグラウンド推定を用いた。
• IceCubeの低遅延アラートシステム（GCNベース）に起因するリアルタイムフォローアップと、既に発表済みのニュートリノイベントのアーカイブ観測データを統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IceCubeの宇宙背景ニュートリノイベントのうち、現在のIACTで検出可能なVHEガンマ線放射を伴うものはあるか？
• RQ2 IceCubeニュートリノイベント位置と一致する源からの定常的VHEガンマ線フラックスの上限は何か？
• RQ3 観測された上限は、例えばEBLや源の透過率によるガンマ線吸収、または源の全光度に関するモデルをどのように制約するか？
• RQ4 IceCubeアラートに応じたリアルタイムIACTフォローアップは、一時的またはフレア状の源の検出可能性を向上させることができるか？
• RQ5 全天にわたるIceCubeニュートリノイベントとVHEガンマ線活動との間に、統計的に有意な空間的または時間的相関はあるか？

主な発見

• すべてのIACTおよび解析において、IceCubeの宇宙背景ニュートリノイベントの再構築位置に有意な定常的VHEガンマ線放射は検出されなかった。
• E > 100 GeVにおける95%信頼水準の積分フラックス上限が設定され、IACTおよびターゲットに応じて変動したが、通常はニュートリノイベントの50%誤差円内にある源に対して10⁻¹³ erg cm⁻² s⁻¹未満であった。
• 上限は、IceCubeの7年間のポイント源感度を著しく下回っており、短時間のIACT観測でも潜在的源に対する強い制約が得られることを示している。
• VHEガンマ線対応物が存在しないことは、ガンマ線が地球に到達する前に吸収されている可能性を示唆しており、これは銀河間背景光（EBL）や固有の源透過率によるものである。
• 相関がないことは、源が遠方（吸収のため）または微弱すぎて（個々に検出可能な数が多すぎるため）現在のIACT感度では検出できない可能性を示唆している。
• IceCubeの低遅延アラートに応じたリアルタイムフォローアッププログラムは、4台のすべてのIACTで成功裏に開始されており、FACT、H.E.S.S.、MAGIC、VERITASから最初の結果が報告された。これにより、今後の一時的またはフレア状の源の研究が可能になった。