[논문 리뷰] A Search for IceCube Sub-TeV Neutrinos Correlated with Gravitational-wave Events Detected By LIGO/Virgo

Rasha Abbasi, M. Ackermann외 388명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 2015년에서 2020년 사이에 LIGO/Virgo에서 검출된 중력파 사건과 관련된 IceCube의 sub-TeV 중성미자 방출 여부를 조사한다. 90개의 중력파 사건에 대한 시간 및 방향 공진 분석을 통해 유의미한 중성미자 과잉은 발견되지 않았으며, 다양한 소스 유형에 대해 1–100 GeV 범위의 중성미자 조도 상한선을 설정하였다. 특히 이중 블랙홀 및 중성자별–블랙홀 융합 사건에 대해 가장 날카로운 제약 조건을 제시하였다.

ABSTRACT

The LIGO/Virgo collaboration published the catalogs GWTC-1, GWTC-2.1 and GWTC-3 containing candidate gravitational-wave (GW) events detected during its runs O1, O2 and O3. These GW events can be possible sites of neutrino emission. In this paper, we present a search for neutrino counterparts of 90 GW candidates using IceCube DeepCore, the low-energy infill array of the IceCube Neutrino Observatory. The search is conducted using an unbinned maximum likelihood method, within a time window of 1000 s and uses the spatial and timing information from the GW events. The neutrinos used for the search have energies ranging from a few GeV to several tens of TeV. We do not find any significant emission of neutrinos, and place upper limits on the flux and the isotropic-equivalent energy emitted in low-energy neutrinos. We also conduct a binomial test to search for source populations potentially contributing to neutrino emission. We report a non-detection of a significant neutrino-source population with this test.

연구 동기 및 목표

• 이중 블랙홀(BBH), 중성자별–블랙홀(NSBH), 이중 중성자별(BNS) 융합이 IceCube에서 검출 가능한 고에너지 중성미자를 방출하는지 검증하기 위해.
• 융합하는 밀집 천체에서 발생하는 중력파 변동과 연관되어 sub-TeV 중성미자가 생성되는지 조사하기 위해.
• 90개의 LIGO/Virgo 트리거에 걸쳐 시간 및 방향 공진 분석을 통해 중력파 사건에서의 중성미자 조도 상한선을 유도하기 위해.
• 특히 고질량 또는 먼 거리에 있는 별질량 블랙홀 및 중성자별 융합 사건의 중성미자 방출에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 관측된 중성미자 데이터가 밀집 이중 융합에서 중성미자 생성을 설명하는 이론 모델과 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• GWTC-2 및 GWTC-3 카탈로그에서 천체 위치가 잘 국한되어 있고 거리가 알려진 90개의 LIGO/Virgo 중력파 사건을 선별하였다.
• 각 중력파 트리거 주변 1000초 시간 창 내에서 IceCube의 고에너지 중성미자 데이터와 시간 및 방향 공진 검색을 수행하였다.
• GRECO 천문학 데이터셋을 사용하여 각 중력파 사건의 천체 위치 및 시간 창 내에 있는 중성미자 사건을 식별하였다.
• 신호 없음(null hypothesis) 하에 포isson 통계를 사용하여 각 사건에 대한 중성미자 조도(E²Fν+ν̄) 상한선을 계산하였다.
• 사건 간 결과를 통합하여 거리 및 하늘 영역을 고려하여 각 유형(BBH, NSBH, BNS)의 중앙 상한선을 유도하였다.
• 중성미자 에너지 스펙트럼 가정 및 배경 제거 보정을 적용하여 신뢰할 수 있는 조도 상한선을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀집 이중 융합이 중력파 신호와 관련된 검출 가능한 sub-TeV 중성미자 방출을 생성하는가?
• RQ2 IceCube 데이터 기반으로 다양한 유형의 밀집 이중 융합(BBH, NSBH, BNS 등)에서의 중성미자 조도 상한선은 무엇인가?
• RQ3 관측된 중성미자 상한선은 블랙홀 또는 중성자별 융합에서 중성미자 생성을 설명하는 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 기대 배경을 초월해 중력파 사건과 공진하는 중성미자 과잉이 있는가?
• RQ5 IceCube는 고적색이거나 고질량의 밀집 이중 융합에서의 중성미자 방출에 대해 어떤 민감도를 가지는가?

주요 결과

• 분석한 90개의 중력파 사건 중 어느 하나의 유의미한 중성미자 과잉도 발견되지 않았다.
• 모든 사건에 대한 중성미자 조도(E²Fν+ν̄)의 중앙 상한선은 2.4 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²이며, 개별 상한선은 1.18에서 4.88 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻² 사이로 변동하였다.
• 이중 블랙홀(BBH) 사건의 경우, GW190413 134308(2.46 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²)과 GW190527 092055(4.32 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²)에서 가장 날카로운 상한선이 설정되었다.
• 중성자별–블랙홀(NSBH) 사건의 경우, GW200115 042309에서의 상한선은 2.56 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²로 NSBH 사건 중 가장 낮았다.
• 이sov(등가 등방 에너지)에 대한 가장 엄격한 상한선은 GW200115 042309에서 1.44 × 10⁵³ erg로, 이 NSBH 융합에서의 중성미자 방출이 최소임을 시사하였다.
• 이 분석은 특히 고질량 또는 먼 거리의 사건에 대해 sub-TeV 중성미자 방출에 대해 지금까지 가장 민감한 제약 조건을 설정하였다.