[논문 리뷰] High-energy emitting BL Lacs and high-energy neutrinos - Prospects for the direct association with IceCube and KM3NeT

Chiara Righi, F. Tavecchio외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 55인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 방출 BL Lacs(HBL)가 고에너지 뉴트리노의 주요 원천일 수 있으며, 광자-메존 반응을 통해 감마선과 뉴트리노 플럭스를 연결하는 레프톤성 제트 모델을 제안한다. 이 모델은 KM3NeT가 몇몇 HBL 원천으로부터 연간 1개 이상의 뉴트리노를 탐지할 것으로 예측하며, 몇 년 내 직접적인 연관성을 확보할 수 있음을 시사한다. 반면 IceCube의 낮은 감도는 가장 밝은 원천들만 탐지 가능하게 하여未래 뉴트리노 천체물리학적 기원을 규명하는 데 있어 향상된 각도 해상도의 중요성을 부각시킨다.

ABSTRACT

The origin of the high-energy flux of neutrinos detected by IceCube is still unknown. Recent works report the evidence for a possible positional correlation between the reconstructed neutrino arrival directions and the positions in the sky of low power, high-energy emitting BL Lac objects (HBL). Assuming that $γ$-ray emitting HBL form the bulk of the sources of high-energy neutrinos above 100 TeV, we intend to calculate the number of events expected to be detected for each source by IceCube and KM3NeT. Based on a simple theoretically-motivated framework inspired by the structured jet scenario for these sources, we postulate a direct proportionality between high-energy $γ$-ray and neutrino fluxes. We calculate the expected neutrino event rate for the HBL sources of the Second Fermi-LAT Catalog of High-Energy Sources (2FHL) for IceCube and the presently under construction KM3NeT using declination-dependent and exposure-weighted effective areas. We provide a list of 2FHL HBL with the calculated number of events. For IceCube, the derived count rate for several sources is relatively high, of the order of $\lesssim$1 yr$^{-1}$, consistently with the recent findings of a possible positional correlation. For KM3NeT the calculated rates are higher, with several sources with expected rate exceeding 1 yr$^{-1}$. This, coupled with the improved angular resolution, implies that the HBL origin can be effectively tested with few years of observation of KM3NeT (and IceCube Gen2, for which similar performances are foreseen) through the direct association of neutrinos and single HBL. Our results show that if -- as hinted by recent works -- HBL represent a possible population of high-energy neutrino emitters, several single sources should be identified in few years of exposure of KM3NeT, highlighting the importance of the improved angular resolution anticipated for KM3NeT and IceCube Gen2.

연구 동기 및 목표

• IceCube가 탐지한 고에너지 뉴트리노의 주요 원천이 고에너지 방출 BL Lacs(HBL)일 수 있는지 조사하기 위해.
• IceCube와 향후 KM3NeT 관측소를 이용해 HBL 원천으로부터의 뉴트리노 플럭스 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 기대되는 사건 빈도를 바탕으로 개별 HBL 원천과 뉴트리노 사건 간 직접 연관성을 평가하기 위해.
• KM3NeT와 IceCube Gen2의 향상된 각도 해상도가 고에너지 뉴트리노의 천체물리적 기원 규명에 미치는 영향 탐색하기 위해.
• HBL에서 감마선과 뉴트리노 플럭스 간 선형 상관관계가 관측된 등방성 뉴트리노 플럭스를 설명할 수 있는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 프로톤 유도 광자-메존 반응을 포함한 구조적 제트 모델에 기반해, HBL에서 고에너지 감마선과 뉴트리노 플럭스 간 직접 비례를 가정한다.
• IceCube와 KM3NeT의 유효 면적을 적분한 기수 및 노출량에 따라 가중치를 적용하여, 각 원천별 기대 뉴트리노 사건 빈도를 계산한다.
• 고에너지 감마선 원천의 2FHL 목록을 활용해 HBL 후보를 특정하고, 1년 동안의 예상 뉴트리노 수를 계산한다.
• KM3NeT의 경우 수평선 아래 및 최대 10° 이내의 통과하는 뮤온 트랙을 모두 고려하여, 사건 빈도에 미치는 영향을 분석한 결과 약 1.2배의 미미한 차이를 관측한다.
• 단기적인 활성화(1~2주)를 가진 플레어 시나리오를 고려해 평균 플럭스를 약 α ≈ 10 배수로 조정함으로써, 활성 상태에서의 탐지 가능성 향상을 추정한다.
• 핵반응이 뉴트리노를 생성하는 동안 재처리된 전자기 캐스케이드가 MeV–GeV 대역에서 감지 가능한 고에너지 감마선 방출을 억제한다는 가정에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 방출 BL Lacs는 IceCube가 관측한 고에너지 뉴트리노 플럭스를 설명할 수 있는가?
• RQ2 각각의 노출량과 각도 해상도를 고려할 때, IceCube와 KM3NeT에서 HBL 원천당 예상되는 뉴트리노 사건 빈도는 얼마인가?
• RQ3 KM3NeT 또는 IceCube Gen2 운영 몇 년 내에 개별 HBL 원천과 뉴트리노 사건 간 직접 연관성이 달성될 수 있는가?
• RQ4 HBL의 일시적 플레어가 관련 뉴트리노 탐지 가능성에 미치는 영향은 무엇이며, 이러한 일치는 핵반응 방출의 명백한 증거가 될 수 있는가?
• RQ5 관측에서 MeV–GeV 감마선 성분이 뚜렷하지 않은 것은, 흡수된 방출을 포함한 제안된 레프톤성 제트 시나리오에서 고에너지 감마선 출력이 억제된다는 것을 얼마나 잘 지지하는가?

주요 결과

• IceCube의 경우, 2FHL 목록에 포함된 가장 밝은 몇몇 HBL 원천들이 약 연간 1개의 뉴트리노를 방출할 것으로 예측되며, 최근의 위치 상관 분석 결과와 일치한다.
• KM3NeT의 경우 예상 사건 빈도가 훨씬 높아, 약 20개의 HBL 원천이 연간 0.3개 이상의 뉴트리노를 방출할 것으로 예측되어 강력한 원천 식별이 가능하다.
• 가장 밝은 HBL 원천들인 Mkn 421, PKS 2155–304, Mkn 501은 관측 몇 년 내에 명확한 뉴트리노-원천 연관성을 확립할 수 있을 정도로 높은 사건 빈도를 보일 것으로 예측된다.
• 일반적인 10배 플레어 동안, 연간 약 1개의 뉴트리노를 방출하는 HBL는 하나 이상의 탐지 가능한 뉴트리노를 방출할 수 있으며, 이는 핵반응 활동의 명확한 서식으로 작용한다.
• KM3NeT(부도수 이하, <0.2°)와 IceCube Gen2의 향상된 각도 해상도 덕분에, 뉴트리노 사건과 개별 HBL 원천 간 직접 연관성이 가능해져 원천 식별과 비균일도 연구가 향상된다.
• NuSTAR 관측에서 MeV–GeV 감마선 성분이 뚜렷하지 않은 것은, π 중입자 붕괴에서 유래한 재처리 방출이 약한 것을 지지하며, 억제된 고에너지 감마선 출력을 가진 제안된 레프톤성 제트 시나리오를 지지한다.