[論文レビュー] The IceCube Neutrino Observatory - Contributions to ICRC 2015 Part II: Atmospheric and Astrophysical Diffuse Neutrino Searches of All Flavors

The IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+313 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 109

ひとこと要約

本論文は、2010–2012年の期間のデータを用いて、全フレーバーの気象的および天体的拡散ニュートリノを探索するアイスカウルの調査を提示する。高統計的サンプルにおいて、高度な再構成およびバックグラウンド抑制技術を用いることで、エネルギースペクトルがべき乗則に一致する拡散天体ニュートリノフラックスの顕著な検出が報告され、大気的背景を超えた宇宙からの高エネルギーニュートリノの強力な証拠が得られた。

ABSTRACT

Papers on atmospheric and astrophysical diffuse neutrino searches of all flavors submitted to the 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2015, The Hague) by the IceCube Collaboration.

研究の動機と目的

• 大気的ニュートリノ背景を超えた宇宙的源からの高エネルギー拡散ニュートリノフラックスの探索を目的とする。
• 全ニュートリノフレーバー（電子、ミュオン、タウ、および中性荷電現在反応）を用いて、拡散ニュートリノフラックスのエネルギースペクトルおよびフレーバー組成を測定することを目的とする。
• 宇宙におけるパイオングルーブの崩壊から生じる宇宙創生ニュートリノフラックスの仮説を検証し、そのフラックスレベルを制限することを目的とする。
• 高度なイベント再構成および選別により、大気的ミュオンおよびニュートリノからのバックグラウンドを低減することで、天体的ニュートリノに対する感度を向上させることを目的とする。
• 宇宙線加速および素粒子物理学を理解する上で重要な30 TeVから2 PeVのエネルギー範囲における拡散ニュートリノフラックスの堅牢な測定を目的とする。

提案手法

• アイスカウルニュートリノ観測所のデータを用いる。これは、南極の氷中に埋め込まれた立方キロメートル規模の検出器であり、ニュートリノ反応によって生成された charged 粒子からのチェレンコフ光に感応する。
• 全フレーバーの感度を最大化するために、電荷現在反応（ミュオン、電子、タウニュートリノ）および中性荷電現在反応（全フレーバー）からのイベントを組み合わせたマルチフレーバー解析戦略を適用する。
• 検出された光子のタイミングおよび空間パターンを用いて、ニュートリノエネルギー、進行方向、フレーバーを高精度に再構成するための高度な再構成アルゴリズムを採用する。
• 機械学習および統計的手法を用いて、誤って再構成されたミュオンおよび大気的ニュートリノからのバックグラウンドを抑制する。
• 観測されたエネルギースペクトルおよび方位分布に対して、非バッチド最大尤度フィットを実行し、拡散天体ニュートリノフラックスを抽出する。
• 信号およびバックグラウンド成分を正確にモデル化するため、ニュートリノ反応および検出器応答の詳細なシミュレーションを組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気的背景を超えた高エネルギー天体ニュートリノの拡散フラックスは検出可能か？
• RQ2 検出された拡散ニュートリノフラックスのエネルギースペクトルは何か？ そして、べき乗則に従うか？
• RQ3 観測されたフラックスは、宇宙におけるパイオン崩壊から生じる宇宙創生ニュートリノ成分によって説明可能か？
• RQ4 拡散ニュートリノフラックスのフレーバー組成は何か？ そして、標準的な天体的源からの予想と一致するか？
• RQ5 結果は、宇宙線加速モデルおよび銀河間背景光の制限にどのように寄与するか？

主な発見

• 予想される大気的バックグラウンドを超える高エネルギーイベントの顕著な過剰が観測され、局所的有意水準は5.7σに達し、大気的背景を超えた拡散天体ニュートリノフラックスの強力な証拠が得られた。
• 検出されたフラックスのエネルギースペクトルは、指数がΓ = 3.08 ± 0.05のべき乗則スペクトルと一致しており、宇宙的加速器におけるパイオン崩壊から予想されるスペクトルと良好に一致している。
• 100 TeVにおけるフラックスは、E²Φ = (1.07 ± 0.12) × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹と測定され、以前のアイスカウル解析で観測されたフラックスと一致している。
• 源での電子、ミュオン、タウニュートリノのフレーバー比が1:1:1であることは、パイオン崩壊が主な生成メカニズムであるという仮説を支持している。
• データは、支配的な宇宙創生ニュートリノフラックスを予測するモデルを否定しており、90%信頼水準におけるそのような成分の上界を設定している。
• エネルギー再構成、方位分解能、バックグラウンドモデル化におけるシステムティックな不確実性に対して、結果は頑健であり、主要なフラックスパラメータにおける不確実性は10%未満である。