[논문 리뷰] A decisive test for the young pulsar origin of ultrahigh energy cosmic rays with IceCube

Ke Fang, Kumiko Kotera외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 아이스커크 뉴트리노 검출기를 사용하여 초고에너지 우주선(UHECRs)의 젊은 펄서 기원을 결론적으로 검증하는 테스트를 제안한다. UHECR 생성 과정에서 초신성의 폭발 잔해 내에서 입자가 가속화될 때 필수적으로 발생하는 뉴트리노 방출 덕분에, UHECR 생성 메커니즘의 불확실성에 관계없이 아이스커크가 10년 내에 이를 감지할 수 있는 확산 뉴트리노 복사가 발생할 것으로 예측한다.

ABSTRACT

We present a decisive test to probe the young pulsar origin of ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) within the next decade, with the IceCube neutrino detector. Pulsars, especially for those spinning close to millisecond periods at birth, are good candidate sources for the production of UHECRs. We demonstrated that it is possible with the extragalactic pulsar population to explain the measurements of the Auger Observatory consistently. Here we calculate the diffusive neutrino flux, produced inevitably while particles cross the supernova ejecta, associated with this pulsar scenario. We predict that the pulsar population should produce a diffusive neutrino flux that lies considerably above the IceCube-5 years sensitivity in the 10^18 eV energy range, and is below the current IceCube sensitivity. Even in the most pessimistic case, one expects a minimum flux of neutrinos, detectable with IceCube within a decade. This conclusion stands for any pulsar scenario that explains the UHECR data, regardless of the uncertainties on UHECR production.

연구 동기 및 목표

• 젊은 펄서, 특히 밀리세컨드 펄서가 초고에너지 우주선(UHECRs)의 기원일 수 있다는 가설을 검증하기 위해.
• 은하간 펄서 집단이 어져 어보버바토리의 UHECR 측정치를 일관되게 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 초신성 잔해 내에서 UHECR 가속 과정 동안 생성되는 확산 뉴트리노 복사의 감지 가능성 파악하기 위해.
• 아이스커크의 뉴트리노 관측을 통해 펄서 기원 UHECRs에 대한 강력하고 모델에 종속되지 않는 검증 수립하기 위해.

제안 방법

• 젊은 펄서와 관련된 초신성 잔해 내에서 입자가 가속화되는 과정에서 발생하는 확산 뉴트리노 복사의 모델링.
• 아이스커크 감지 능력에 따라 어져 어보버바토리 데이터와 일치하는 은하간 펄서 집단을 UHECR의 기원 집단으로 사용.
• 확산적 전파와 입자 상호작용을 고려하여 10^18 eV 에너지 범위의 예상 뉴트리노 복사 계산.
• 5년 기준 감지 한계와 비교하여 10년 관측 기간으로 외삽.
• UHECR 생성의 불확실성을 고려해 가장 낙관적인 시나리오를 적용하여 결과의 강건성 확보.
• UHECR 데이터를 설명할 수 있는 모든 가능한 펄서 시나리오에 대해 적용 가능한 모델에 종속되지 않는 접근 방식 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하간 펄서 집단이 어져 어보버바토리가 측정한 관측된 UHECR 스펙트럼과 조성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 젊은 펄서와 관련된 초신성 잔해 내에서 입자가 가속화될 때 기대되는 확산 뉴트리노 복사량은 얼마인가?
• RQ3 이 예측된 뉴트리노 복사량은 UHECR 생성의 불확실성과 무관하게 아이스커크가 다음 10년 내에 감지할 수 있는가?
• RQ4 5년 및 10년 데이터 기준으로 예측된 뉴트리노 복사량은 아이스커크의 감지 한계와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 펄서 기반 UHECR에서 기인하는 감지 가능한 뉴트리노 신호는 펄서 기원 가설에 대한 결정적인 검증을 제공하는가?

주요 결과

• 젊은 펄서에서 기인하는 예측된 확산 뉴트리노 복사량은 10^18 eV 에너지 범위에서 아이스커크의 5년 감지 한계를 초과한다.
• 가장 낙관적인 시나리오에서도 아이스커크는 10년 내에 뉴트리노 복사량을 감지할 수 있다.
• 예측된 복사량은 현재 아이스커크 감지 능력 이하에 위치해 있어 감지 가능성이 높다.
• UHECR 생성 메커니즘의 불확실성과 무관하게 UHECR 데이터를 설명할 수 있는 모든 펄서 시나리오에 대해 결과가 강건하다.
• 입자 가속 과정에서 필수적으로 발생하는 뉴트리노 방출이라는 불가피한 부산물에 기반하므로, 이는 모델에 종속되지 않는 탐사 수단이 된다.
• 어저 어보버바토리 데이터와 일치하는 모든 펄서 시나리오에 대해 결론이 유지되므로 광범위한 적용 가능성과 강력한 예측 능력을 확보한다.