[論文レビュー] The origin of IceCube's neutrinos: Cosmic ray accelerators embedded in star forming calorimeters

Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、アイスカウルの高エネルギーニュートリノが、星形成・キャロリメトリック銀河に埋め込まれた一時的源で加速される超高エネルギー宇宙線（UHECR）に起因すると提案している。このような環境では、陽子がパイオン生成によりほとんど全エネルギーを失う。モデルは、エネルギースペクトルが平坦なプロトン主体のUHECR源集団を仮定し、Waxman-Bahcallの上限と整合的である。これにより、観測されたニュートリノフラックスとスペクトルを説明できる。また、近くの星爆発銀河を特定し、ニュートリノを一時的イベントに関連付けるためには、100 TeVを超えるエネルギーで検出器質量を10倍に拡大する必要があると予測している。

ABSTRACT

The IceCube collaboration reports a detection of extra-terrestrial neutrinos. The isotropy and flavor content of the signal, and the coincidence, within current uncertainties, of the 50 TeV to 2 PeV flux and the spectrum with the Waxman-Bahcall bound, suggest a cosmological origin of the neutrinos, related to the sources of ultra-high energy, $>10^{10}$ GeV, cosmic-rays (UHECR). The most natural explanation of the UHECR and neutrino signals is that both are produced by the same population of cosmological sources, producing CRs (likely protons) at a similar rate, $E^2d\dot{n}/dE\propto E^{0}$, over the [$1$ PeV,$10^{11}$ GeV] energy range, and residing in "calorimetric" environments, like galaxies with high star formation rate, in which $E/Z<100$ PeV CRs lose much of their energy to pion production. A tenfold increase in the effective mass of the detector at $\gtrsim100$ TeV is required in order to significantly improve the accuracy of current measurements, to enable the detection of a few bright nearby starburst "calorimeters", and to open the possibility of identifying the CR sources embedded within the calorimeters, by associating neutrinos with photons accompanying transient events responsible for their generation. Source identification and a large neutrino sample may enable one to use astrophysical neutrinos to constrain new physics models.

研究の動機と目的

• UHECR源を宇宙論的モデルとして星形成・キャロリメトリック環境に埋め込んだ場合、アイスカウルで観測された宇宙線ニュートリノフラックスの起源を説明すること。
• ニュートリノの等方性、フレーバー分布、エネルギースペクトルが、UHECR衝突によるニュートリノフラックスのWaxman-Bahcall上限と整合することを説明すること。
• 源の特定とキャロリメトリックモデルの検証を可能にするために、100 TeVを超えるエネルギーで検出器有効質量を10倍に拡大する必要があることの特定。
• 源の特定と大規模なニュートリノサンプルを用いて、高エネルギーニュートリノが新物理モデルを制約する可能性を検討すること。
• 予想されるニュートリノフラックスと検出可能性に及ぼすUHECRの組成（陽子対重い原子核）の影響を評価すること。

提案手法

• Waxman-Bahcallの上限を理論的上限として用い、これは陽子-CMB衝突と観測されたUHECRフラックスに基づく。
• UHECR源を一時的で高光度の加速器（例：ガンマ線バースト）としてモデル化し、エネルギースペクトルが平坦（$E^2 d\tilde{n}/dE \propto E^0$）であると仮定。これは、衝突なし衝撃波におけるFermi加速と整合的。
• 高星形成率銀河がエネルギー吸収環境として機能するキャロリメトリックモデルを適用。$E/Z < 100$ PeV であり、CRエネルギーの大部分がパイオン生成により失われる。
• これらの環境におけるパイオン崩壊からのニュートリノフラックスを推定。プロトン主体の組成とCMB相互作用によるエネルギー損失を仮定。
• 近隣の星爆発銀河のニュートリノフラックスを推定し、統計的有意性を得るための必要な検出器質量増加（>100 TeVで10倍）を評価。
• ニュートリノを電磁的瞬時的変動（例：ガンマ線バースト）と関連付けることで加速器を特定する提案。これには広視野の電磁的モニタリングの連携が必要。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの天体的環境が、観測されたアイスカウルのニュートリノフラックスを生成しつつ、Waxman-Bahcallの上限を満たすことができるか？
• RQ2 星形成銀河におけるキャロリメトリック環境が、検出されたニュートリノの等方性とスペクトル形状をどのように説明できるか？
• RQ3 数個の近くの星爆発銀河をニュートリノ源として検出するために、どの程度の検出器サイズの増加が必要か？
• RQ4 一時的UHECR加速器は、同じイベントからの電磁的信号とニュートリノを関連付けることで特定可能か？
• RQ5 UHECRの組成（陽子対重い原子核）が予想されるニュートリノフラックスとその検出可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 観測されたアイスカウルのニュートリノフラックスは、100 TeVから2 PeVの範囲でWaxman-Bahcallの上限と一致する宇宙論的起源と整合的である。
• 数個の明るい近くの星爆発銀河を検出するためには、100 TeVを超えるエネルギーで検出器有効質量を10倍に拡大する必要があり、これはキャロリメトリックモデルの強力な証拠となる。
• UHECR加速器（例：ガンマ線バースト）からのニュートリノフラックスは、0.1 PeVでは全フラックスの約1%、1 PeVでは約10%にとどまり、感度を向上させない限り加速器の直接検出は困難である。
• 局所的なUHECR生成率は $0.5 \pm 0.15 \times 10^{44}$ erg/Mpc³/yr と推定され、プロトン主体の組成と平坦な生成スペクトルと整合的である。
• モデルは、キャロリメトリック環境におけるパイオン崩壊が0.1 TeVの光子背景に顕著に寄与することを予測し、プロトンスペクトルを $d\log\dot{n}/d\log E > -2.2$ に制限する。
• 約10⁹.⁵ GeVにおけるGZKニュートリノフラックスの検出または厳密な上限値の測定は、プロトン主体のUHECR組成を確認または否定できる。今後の電波実験がこの領域を調査することが期待される。