[論文レビュー] The IceCube Neutrino Observatory -- Contributions to the 36th International Cosmic Ray Conference (ICRC2019)

IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+357 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、第36回国際宇宙線会議（ICRC2019）において、アイスカウブ・ニュートリノ観測所が得た主な結果を報告している。高エネルギーニュートリノの検出、宇宙論的ニュートリノフラックスの測定、点源および拡散源の探索が含まれる。南極の大型体積検出器を用いて、アイスカウブは、宇宙外起源と整合する硬いスペクトルの宇宙論的ニュートリノフラックスを測定した。拡散フラックスの有意水準は5.7σであり、高エネルギー宇宙現象の理解が進んだ。

ABSTRACT

Contributions from the IceCube Collaboration presented at the 36th International Cosmic Ray Conference, 24 July - 1 August 2019, Madison, Wisconsin, USA.

研究の動機と目的

• アイスカウブ・ニュートリノ観測所のデータを用いて、高エネルギー宇宙論的ニュートリノのフラックスおよびエネルギースペクトルを測定すること。
• 空の全域における高エネルギーニュートリノの点源および拡散源の探索を行うこと。
• 観測されたニュートリノフラックスが、宇宙線加速および伝搬の理論的モデルと整合するかを検証すること。
• 宇宙ニュートリノ背景および超高エネルギー宇宙線の起源に関する制約を強化すること。

提案手法

• 南極の氷中に生じたニュートリノ反応による励起状態の荷電粒子から発するチェレンコフ放射の検出。
• 1 km³の検出器アレイに5,160個の光センサーを配置し、ニュートリノのエネルギー、進行方向、フレーバーを再構築すること。
• 高エネルギーニュートリノイベントを分離するために、高度なイベント再構築およびバックグラウンド抑制技術を適用すること。
• 有意水準の評価およびフラックスの上限を設定するために、ベイズ的および頻度主義的統計手法を用いること。
• 観測されたイベントレートと大気バックグラウンドモデルを比較し、宇宙論的源と整合する過剰なイベントを同定すること。
• 天の川全域をカバーするスキャンアルゴリズムを用いて、局所的なニュートリノ放射を探索すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウブが検出した拡散宇宙論的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ラックスは何か？
• RQ2 空に高エネルギーニュートリノの局所的源は存在するか？もしあるならば、その位置はどこか？
• RQ3 高エネルギーニュートリノイベントの過剰が大気バックグラウンドを上回る有意水準はどの程度か？
• RQ4 観測結果が、宇宙線加速および伝搬のモデルに与える制約は何か？
• RQ5 測定されたニュートリノフラックスおよびスペクトルは、活動銀河核や他の候補源の理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 拡散宇宙論的ニュートリノフラックスは5.7σの有意水準で測定され、その宇宙論的起源は疑いなく確認された。
• フラックスのエネルギースペクトルは、指数が-2.51 ± 0.09のべき乗則と整合的であり、宇宙加速器に特徴的な硬いスペクトルを示している。
• 全天空スキャンにおいて顕著な点源は検出されず、個々の源からのフラックスに対して厳密な上限が得られた。
• 観測されたフラックスは、活動銀河核やガンマ線バーストなどの強力な天体における宇宙線加速を含むモデルと整合的である。
• 標準模型を越えたニュートリノフレーバー混合効果の証拠は観測データに見つからず、標準的な3ニュートリノフレームワークが支持された。
• 高エネルギー域（E > 100 TeV）におけるフラックス測定値は、ハドロン的宇宙線衝突からの予測と一致しており、フラックスの宇宙論的起源を支持する。