[논문 리뷰] Multiwavelength study of the region around the ANTARES neutrino excess

F. Schüßler, P. Brun외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 23.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2007–2010년 동안의 ANTARES 데이터를 바탕으로 R.A. = 313.5°, Dec. = -65.0°에서 관측된 뉴트리노 초과 현상에 대해 라디오에서 매우 높은 에너지(VHE) 감마선에 이르는 다파장 데이터를 분석한다. 2.6%의 시도 보정 p-값(2.2σ)에도 불구하고, Fermi-LAT, H.E.S.S. 또는 기록된 데이터에서 유의미한 대응체가 발견되지 않아, 잠재적 원천에 대한 감마선 세기 상한과 낮은 거리 한계가 설정된다.

ABSTRACT

The ANTARES collaboration reported the results of a search for point-like neutrino sources using data taken in the period 2007-2010. An unbinned maximum likelihood based all-sky search yielded a cluster of 9 (5) events within a cone of 3 (1) degrees around (R.A., Dec) = (-46.5deg, -65.0deg). The trial factor corrected p-value of 2.6% (2.2 sigma) is not significant enough to claim the observation of an astrophysical point source. However, it currently constitutes the most significant localized neutrino excess observed by ANTARES. Here we present a multi-wavelength analysis including optical to X-ray archival data and a dedicated analysis of gamma-ray data from Fermi-LAT. In order to cover the TeV domain, dedicated observations with the H.E.S.S. telescope array were carried out. We present these data and discuss implications of the results in terms of signatures for a cosmic-ray acceleration site.

연구 동기 및 목표

• ANTARES 뉴트리노 초과 현상(2.2σ 초과, R.A. = 313.5°, Dec. = -65.0°)의 다메시징 거래자(멀티메신저) 대응체를 규명하기 위해
• 뉴트리노 초과 현상이 우주선 가속기에서 기인할 수 있는지를 확인하기 위해 전자기 스펙트럼 전역에서 관련된 고에너지 감마선 방출을 탐색하기 위해
• 비검출 결과를 바탕으로 외성간 배경 빛(EBL)에 의한 감마선 흡수를 고려해, 가짜 원천의 적어도 적절한 적색편이 및 거리 하한을 유도하기 위해
• 뉴트리노가 핵반응 메커니즘으로 기인할 경우를 가정하고, H.E.S.S. 데이터를 이용해 VHE 감마선 세기 상한을 유도하기 위해

제안 방법

• 813일 간의 ANTARES 데이터(2007–2010)를 이용해 모든 하늘을 대상으로 한 점원천 뉴트리노 원천에 대한 비구속 최대우도 전천 검색을 수행하여, 3° 이내 9개 사건 군집과 1° 이내 5개 사건을 확보하였다.
• 라디오에서 X선까지의 기록된 다파장 데이터를 분석하여, 초과 영역 근처의 잠재적 대응체를 탐색하기 위해 2FGL Fermi-LAT 목록을 포함하였다.
• 특수 4년간의 Fermi-LAT 분석을 수행하여, 뉴트리노 초과와 관련된 감마선 방출을 탐색하였고, Li & Ma의 신뢰도 지도를 사용하였다.
• 특수 H.E.S.S. 관측을 45°의 천정 각도에서 수행하여 VHE 감마선 영역(임계값 ~800 GeV)을 탐색하였고, 99% 신뢰수준 상한을 도출하기 위해 Feldman & Cousins 신뢰구간 추정법을 적용하였다.
• 스케일된 EBL 모델을 사용해 감마선 흡수 광학 깊이 τ(Eγ, z)를 계산하고, 예측된 감마선 세기와 H.E.S.S. 상한을 일치시켜 원천의 적색편이 및 거리 하한을 유도하였다.
• 핵반응 모델 기반으로 ANTARES 뉴트리노 세기(Φν ≈ 5.5×10⁻¹¹ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹)를 예상되는 감마선 세기(1 TeV에서 Φγ ≈ 1.4×10⁻¹⁰ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹)로 변환하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라디오, 광학, X선 또는 감마선 대역에서 ANTARES 뉴트리노 초과 현상에 다파장 대응체가 존재하는가?
• RQ2 관측된 뉴트리노 초과 현상이 PKS 2047-655나 AC 103과 같은 알려진 천체물리적 천체와 상관이 있는가?
• RQ3 해당 영역에 대한 VHE 감마선 세기 상한은 무엇이며, 핵반응 상호작용에서 예상되는 세기와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 외성간 배경 빛에 의한 감마선 흡수를 통해 유도할 수 있는 원천 거리 하한은 무엇인가?
• RQ5 다메시징 제약 조건을 고려할 때, 뉴트리노 초과 현상이 배경 변동에 의한 것으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• ANTARES 초과 영역에서 2° 이내의 Fermi-LAT 데이터에서 유의미한 감마선 대응체는 발견되지 않았으며, 1° 반경 영역에서 배경을 초과하는 초과 사건은 4개(1.2σ의 신뢰도)에 불과하였다.
• H.E.S.S. 관측 결과, VHE 감마선 세기 상한이 99% 신뢰수준에서 확보되었으며, 에너지 임계값은 약 800 GeV이며, 그 상한은 그림 4의 검은 화살표로 표시되어 있다.
• ANTARES 뉴트리노 초과 현상에서 예측된 핵반응 감마선 세기(1 TeV에서 Φγ ≈ 1.4×10⁻¹⁰ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹)는 H.E.S.S. 상한을 초과하여, 원천이 매우 멀리 떨어져 있지 않은 한 일관성이 없음을 시사한다.
• τ(Ei, zlim) = −ln(ΦUL,i / Φγ) 식을 풀어 적색편이 하한을 유도하였으며, 그 결과 99% 신뢰수준 거리 하한이 그림 6에 나타나 있어, 감마선 흡수를 피하기 위해 원천이 수백 Mpc 이상 떨어져 있어야 함을 나타낸다.
• 모든 파장에서 감마선 신호가 검출되지 않았고, 세기 불일치가 함께 고려될 경우, 뉴트리노 초과 현상이 진정한 천체물리적 원천보다 배경 변동일 가능성이 더 높다는 것이 제기된다.
• 다메시징 데이터를 통한 분석 결과, ANTARES 뉴트리노 초과 현상은 아직 설명되지 않았으며, 광범위한 다파장 분석에도 불구하고 해당 영역에 우주선 가속기가 존재하지 않는다는 증거는 발견되지 않았다.