[논문 리뷰] High-energy neutrinos from choked-jet supernovae: Searches and implications

Po-Wen Chang, B. Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 06.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 143인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 10년간의 unbinned 최대우도 분석을 통해 아이스컵의 고에너지 천체물리 중성미자에 대한 콱통-제트 초신성(cjSNe)의 잠재적 기여를 조사한다. 이는 뮤온-트랙 사건과 SN Ib/c 카탈로그를 대상으로 하며, 유의미한 상관관계는 발견되지 않았지만, 보수적인 상한선은 SNe Ib/c가 주요 기여자일 수 있음을 여전히 일관되게 유지한다. 향후 다중 메신저 관측이 이 시나리오를 확인하거나 배제할 잠재력을 드러낸다.

ABSTRACT

The origin of the high-energy astrophysical neutrinos discovered by IceCube remains largely unknown. Multimessenger studies have indicated that the majority of these neutrinos come from gamma-ray-dark sources. Choked-jet supernovae (cjSNe), which are supernovae powered by relativistic jets stalled in stellar materials, may lead to neutrino emission via photohadronic interactions while the coproduced gamma rays are absorbed. In this paper, we perform an unbinned maximum-likelihood analysis to search for correlations between IceCube's ten-year muon-track events and our SN Ib/c sample, collected from publicly available catalogs. In addition to the conventional power-law models, we also consider the impacts of more realistic neutrino emission models for the first time, and we study the effects of the jet beaming factor in the analyses. Our results show no significant correlation. Even so, the conservative upper limits we set to the contribution of cjSNe to the diffuse astrophysical neutrino flux still allow SNe Ib/c to be the dominant source of astrophysical neutrinos observed by IceCube. We discuss implications to the cjSNe scenario from our results and the power of future neutrino and supernova observations.

연구 동기 및 목표

• 아이스컵이 관측한 산발적 고에너지 천체물리 중성미자 복사율을 콱통-제트 초신성(cjSNe)이 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 이전의 1년 분석을 뛰어넘어, 아이스컵의 10년간 뮤온-트랙 데이터를 활용해 cjSNe의 중성미자 기여에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.
• 이전에 데이터에서 검증되지 않은 실질적인 시간에 따라 변화하는 중성미자 방출 모델이 cjSNe 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 제트 비스듬함 인자와 모델 기반 중성미자 생성 효율성의 변화에 따라 스택킹 및 단일 소스 분석의 민감도를 평가하는 것.
• 향후 관측소인 아이스컵-제너레이션 2(IceCube-Gen2)와 LSST가 cjSNe 시나리오를 테스트하는 데 기여할 잠재력을 예측하는 것.

제안 방법

• 아이스컵의 10년간 뮤온-트랙 중성미자 사건과 공개된 SN Ib/c 카탈로그 간의 상관관계를 분석하기 위해 unbinned 최대우도 분석을 적용하였다.
• 저출력 급성폭발은행형 제트의 물리적 조건을 반영하기 위해 시간에 따라 변화하는 우주선 및 메손 냉각 과정을 포함한 실질적인 cjSNe 방출 모델을 분석에 통합하였다.
• 단일 소스 및 스택킹 분석을 수행하였으며, 후자는 SN Ib/c 샘플 전반에 걸친 총 우주선 에너지 예산($\mathcal{E}_{\rm CR}$)과 제트 비율($f_{\rm jet}$)에 대한 상한선을 유도하는 데 사용되었다.
• 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해 제트 비스듬함 인자를 명시적으로 모델링하였으며, 중성미자 생성 효율성은 모델 간 약 5배의 변화를 보였다.
• 보수적인 통계적 처리를 통해 각 cjSNe 모델에 대해 모든 SNe Ib/c가 기여하는 누적 중성미자 복사율에 대한 상한선을 유도하였다.
• 아이스컵-제너레이션 2와 LSST의 향후 향상 사항을 기반으로 민감도 예측을 하였으며, 특히 초신성 탐지 빈도와 적색편이 완전성 향상에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아이스컵이 관측한 산발적 고에너지 천체물리 중성미자 복사율을 콱통-제트 초신성(cjSNe)이 설명할 수 있는가?
• RQ2 실질적이고 시간에 따라 변화하는 cjSNe 방출 모델은 아이스컵 데이터에서 이러한 소스의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 10년간의 데이터를 바탕으로 cjSNe에 대한 우주선 에너지 예산($\mathcal{E}_{\rm CR}$)과 제트 비율($f_{\rm jet}$)에 대한 보수적인 상한선는 무엇인가?
• RQ4 다양한 cjSNe 모델 간 중성미자 생성 효율성의 변화에 따라 결과는 얼마나 민감한가?
• RQ5 아이스컵-제너레이션 2와 LSST와 같은 향후 관측소는 cjSNe 시나리오에 대한 제약 조건을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 아이스컵의 10년간 뮤온-트랙 사건과 SN Ib/c 샘플 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않았으며, 이는 이 데이터셋에서 cjSNe가 주요 중성미자 기여자일 가능성이 높지 않음을 시사한다.
• 10년간의 $\mathcal{E}_{\rm CR}$ 및 $f_{\rm jet}$ 상한선는 이전의 1년 분석 대비 10배 이상 향상되어 cjSNe 모델에 대한 제약 조건을 강화하였다.
• SNe Ib/c가 아이스컵이 관측한 천체물리 중성미자의 주요 기여자일 수 있음을 여전히 일관되게 유지하는 보수적인 누적 중성미자 복사율 상한선가 유지되었다.
• 고려된 cjSNe 모델 간 중성미자 생성 효율성은 최대 약 5배의 변화를 보였으며, 이는 탐지 가능성과 제약 강도에 있어 모델 기반 효율성이 핵심 요소임을 시사한다.
• 아이스컵-제너레이션 2는 운영 2년 내에 스택킹 상한선을 약 5배 향상시킬 것으로 예측되며, cjSNe 모델 테스트 능력이 크게 향상될 전망이다.
• upcoming LSST 설문조사로 인해 핵붕괴 초신성 탐지 빈도가 10배 이상 증가할 것으로 예상되며, 이는 특히 $f_{\rm jet} \ll 0.1$인 저비스듬함 제트의 cjSNe 탐지 민감도를 크게 향상시켜 cjSNe 가설에 핵심적인 역할을 할 것이다.