[論文レビュー] The IceCube Neutrino Observatory, the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array: Joint Contribution to the 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2015)

IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+892 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーギュール観測所とテレスコープ・アレイの超高エネルギー宇宙線（UHECR）データと、アイスキューブニュートリノ観測所の高エネルギーニュートリノ候補を統合的に分析する。スタッキング法と相互相関法を用いて、UHECRの到来方向とニュートリノイベントとの相関を調査し、カスケードに対して事前試行p値2.7×10⁻⁴を発見した。これは、宇宙線の非一様性を考慮した場合、約2.4σの有意性を示唆するが、まだ統計的に有意とは言えない。

ABSTRACT

We have conducted three searches for correlations between ultra-high energy cosmic rays detected by the Telescope Array and the Pierre Auger Observatory, and high-energy neutrino candidate events from IceCube. Two cross-correlation analyses with UHECRs are done: one with 39 cascades from the IceCube `high-energy starting events' sample and the other with 16 high-energy `track events'. The angular separation between the arrival directions of neutrinos and UHECRs is scanned over. The same events are also used in a separate search using a maximum likelihood approach, after the neutrino arrival directions are stacked. To estimate the significance we assume UHECR magnetic deflections to be inversely proportional to their energy, with values $3^\circ$, $6^\circ$ and $9^\circ$ at 100 EeV to allow for the uncertainties on the magnetic field strength and UHECR charge. A similar analysis is performed on stacked UHECR arrival directions and the IceCube sample of through-going muon track events which were optimized for neutrino point-source searches.

研究の動機と目的

• ピエール・オーギュール観測所とテレスコープ・アレイで検出された超高エネルギー宇宙線（UHECR）と、アイスキューブニュートリノ観測所の高エネルギーニュートリノ候補との間の相関を調査すること。
• テレスコープ・アレイのホットスポットなどのUHECR到来方向の非一様性が、同じ源からのニュートリノフラックスと関連している可能性を評価すること。
• エネルギーおよび角度分解能モデルを用いて、UHECR源に関連する点源ニュートリノ源を検出するスタッキング解析の感度を評価すること。
• 異なるエネルギー閾値と磁場歪み仮定のもとで、5σの発見可能性を達成するための各源ごとの必要なニュートリノフラックスを特定すること。
• 異なる角度距離仮定（D = 3°, 6°, 9°）とイベントタイプ（トラックとカスケード）の結果を比較し、一貫性と有意性を評価すること。

提案手法

• UHECRの既知の到来方向に基づいてニュートリノ信号イベントをスタックするための非パラメトリック尤度解析を実施し、信号確率密度関数（PDF）を角度距離とエネルギースペクトルの関数としてモデル化する。
• 尤度関数として lnL(nsν,γ) = ∑ᵢ ln[nsν/Nν × Si(γ,Ei) + (1−nsν/Nν) × Bi] を使用する。ここで、nsν は信号イベント総数、γ はスペクトル指数、Bi は大気的バックグラウンドを表す。
• UHECRの角度不確かさを σj = √(σ²_M_D + σ²_exp) でモデル化し、σ_exp はオーギュールで0.9°、テレスコープ・アレイで1.5°とし、磁場歪みによるσ_M_D = D × 100 EeV / ECR とする。
• UHECR源の数を制限し感度を向上させるために、5σ発見に必要なフラックスのシミュレーションに基づき、エネルギー閾値 Eth = 85 EeV を設定する。
• 多重検定補正のため、事前試行および事後試行p値を計算し、異なる角度距離Dにおける有意性を評価する。
• 等方的ニュートリノフラックスおよび等方的UHECR方向と比較することで、CRの非一様性が有意性に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オーギュールとテレスコープ・アレイで検出されたUHECRの到来方向と、アイスキューブの高エネルギーニュートリノイベントとの間に、統計的に有意な相関があるか？
• RQ2 UHECRの磁場歪みを σ_M_D = D × 100 EeV / ECR としてモデル化した場合、潜在的相関の有意性はどのように変化するか？
• RQ3 スタッキング解析において5σの発見可能性を達成するための各源ごとの必要なニュートリノフラックスは何か？また、エネルギー閾値 Eth に依存してどのように変化するか？
• RQ4 UHECR到来方向の観測された非一様性（例：テレスコープ・アレイのホットスポット）は、潜在的ニュートリノ相関の有意性に影響を与えるか？
• RQ5 アイスキューブデータセットにおける高エネルギーのトラックとカスケードの間で、結果にどのような差が生じるか？

主な発見

• 高エネルギーのカスケードに対してスタッキング解析を実施した結果、D = 6°のとき事前試行p値が2.7×10⁻⁴となり、事後試行p値は8×10⁻⁴に達した。これは、潜在的に興味深い信号を示唆する。
• UHECR到来方向の非一様性（例：TAホットスポット）を考慮した場合、カスケード相関の有意性は約2.4σに上昇する。
• 同じ角度距離D = 3°において、最小の事後試行p値は25%であり、約123件の過剰イベントとスペクトル指数γ = −3.24が得られた。
• D = 6°の解析では、事後試行p値が50%以上に達し、有意な過剰は観測されなかった。
• 5σ発見可能性を達成するための各源ごとの必要なニュートリノフラックスは、Eth = 85 EeVで最小化され、感度と源数のバランスが取れている。
• 相互相関解析から推定された角度スケール（約22°）は、磁場歪みスケール（約10°）および実験的不確かさ（カスケードで約15°、CRで約1°）と整合しており、内部的一致性を支持する。