[論文レビュー] TeV photons and Neutrinos from giant soft-gamma repeaters flares

F. Halzen, Hagar Landsman+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、特に2004年12月27日に発生したSoft Gamma Repeaters (SGRs) の巨大フレア、SGR 1806-20が、その強力な磁場内での陽子加速が起これば、検出可能なTeV光子および高エネルギーニュートリノを生成する可能性を提案している。AMANDAおよびMilagroを検出器として用い、ガンマ線シャワーとニュートリノ誘発反応からのミューオンおよびカスケードイベントレートを推定した結果、時間的・角度的制約を厳しく設定することで、背景が低減され、IceCubeのようなニュートリノ望遠鏡が高感度でこれらのフレアを観測可能であることが示された。

ABSTRACT

During the last 35 years three giant flares were observed from so-called Soft Gamma Repeaters (SGR's). They are assumed to be associated with star-quakes of pulsars accelerating electrons and, possibly, protons to high energy in the huge magnetic fields as inferred from the observations. Because of this and the observation of non-thermal emission it has been speculated that they may be cosmic ray accelerators producing gamma-rays up to TeV energies. Neutrino telescopes, such as AMANDA and the ANTARES now under construction, could be used as TeV-gamma detectors for very short emissions by measuring underground muons produced in $γ$ showers. We estimate signal and background rates for TeV photons from SGR giant flares in AMANDA, and we provide an estimate of the gamma shower events that Milagro could detect. Moreover, we consider that, if hadrons are accelerated in these sources, high energy neutrinos would be produced together with photons. These may be detected in neutrino telescopes using neutrino-induced cascades and upgoing muons. We argue that the Antarctic Muon and Neutrino Detector Array AMANDA may have observed the December 27, 2004 giant flare from the soft gamma-ray repeater SGR 1806-20 if the non-thermal component of the spectrum extends to TeV energies (at present the actual data is subject to blind analysis). Rates should be scaled by about two orders of magnitude in km3 detectors, such as IceCube, making SGR flares sources of primary interest.

研究の動機と目的

• Soft Gamma Repeaters (SGRs) の巨大フレアが、検出可能なTeV光子および高エネルギーニュートリノを生成するかどうかを調査すること。
• 既存および計画中のニュートリノおよびガンマ線検出器を用いたこれらの高エネルギー放射の検出可能性を評価すること。
• 地下検出器であるAMANDAおよびMilagroが、ガンマ線シャワーからのミューオンおよびニュートリノカスケードを介して短時間で強いバーストを観測する可能性を評価すること。
• 現実的なスペクトル仮定に基づき、光子およびニュートリノの両方のシグナルに対するイベントレートを定量的に推定すること。
• 非検出の結果が、SGRフレアと銀河系ガンマ線バーストとの関連性を理解する上で示唆する意味を検討すること。

提案手法

• SGR 1900+14の巨大フレアにおけるBeppo-SAXスペクトルデータを用い、TeV光子スペクトルをモデル化し、SGR 1806-20へ外挿した。
• Δ励起状態過程（p + γ → Δ → nπ⁺ → nμ⁺ν̄μ → ne⁺νeν̄μ）を適用し、パイオンおよびニュートリノ生成の最小・最大エネルギーを推定した。
• 表面検出器技術およびシャワー発展モデルを用いて、Milagroにおけるガンマ線シャワーからのミューオンレートを推定した。
• ニュートリノ相互作用の有効断面積データおよび時間的・方向的制約による大気的バックグラウンド排除を用い、AMANDAにおけるミューオンおよびカスケードイベントレートを計算した。
• ニュートリノ振動および吸収モデルを適用し、全ニュートリノフレーバーの等価フラックスおよびイベントレートを予測した。
• AMANDA-IIおよびANTARESのエネルギー依存有効断面積を用い、異なるスペクトル指数に対する1秒あたりのイベントレートを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SGRの巨大フレアが、超強力な磁場内での陽子加速によってTeV光子および高エネルギーニュートリノを生成できるか？
• RQ2 Milagroのような表面検出器およびAMANDAのような地下検出器におけるガンマ線シャワーからのミューオンの予想イベントレートはどの程度か？
• RQ3 ニュートリノ望遠鏡のイベントレートは検出器体積にどのように依存するか？また、IceCubeに類似したkm³スケールの検出器がSGRフレアに対してどの程度感度を示すか？
• RQ4 時間的および角度的制約が、大気的ミューオンおよびニュートリノバックグラウンドを効果的に低減し、一時的で強いSGRフレアの検出を可能にするか？
• RQ5 非検出の結果が、SGRフレアスペクトルのTeV帯への延長およびそれらが小規模な銀河系ガンマ線バーストに類似しているという仮説にどのような制約を課えるか？

主な発見

• ニュートリノスペクトルが指数-1.47のべき乗則に従う場合、AMANDAはSGR 1806-20の巨大フレアに起因するニュートリノから、1秒あたり最大で2×10⁶個の上向きミューオンを検出可能であると推定された。
• ニュートリノスペクトル指数が-1.85の場合、AMANDAにおけるカスケードイベントの期待レートは1秒あたり約9×10⁻⁵となり、スペクトルが急峻になると5×10⁻⁴に増加する。
• 光子スペクトルが200 TeVまで延長され、スペクトル指数が-0.73の場合、Milagroはガンマ線シャワーからのミューオンを1秒あたり約1×10⁷個検出可能であると推定された。
• km³スケールの検出器、例えばIceCubeでは、イベントレートが約2桁増加するため、SGRフレアはこのような装置にとって主要な観測対象となる。
• 時間的・角度的制約が厳しく設定されているため、大気的ミューオンのバックグラウンドは無視できるほど低減され、一時的信号の高感度検出が可能である。
• 非検出の結果は、SGRフレアスペクトルのTeV帯への延長を制限し、これらのフレアが小規模な銀河系ガンマ線バーストに類似しているという仮説に疑問を呈する可能性がある。