[논문 리뷰] Search for Neutrinos from the Tidal Disruption Events AT2019dsg and AT2019fdr with the ANTARES Telescope

A. Albert, S. Alves외 141명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 ANTARES 중성미자 천체망원경을 사용하여 두 흐름파괴 사건(TDEs), AT2019dsg와 AT2019fdr에서 고에너지 중성미자를 탐색한다. 유의미한 신호가 감지되지 않았음에도 불구하고, 90% 신뢰수준에서 한 품종 중성미자 흐름과 방출량에 대한 상한선이 설정되었으며, 이는 현재 TDE 중성미자 방출 모델이 ANTARES 감도에 의해 제약을 받지 않는다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

On 2019 October 1, the IceCube Collaboration detected a muon track neutrino with a high probability of being of astrophysical origin, IC191001A. After a few hours, the tidal disruption event (TDE) AT2019dsg, observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF), was indicated as the most likely counterpart of the IceCube track. More recently, the follow-up campaign of the IceCube alerts by ZTF suggested a second TDE, AT2019fdr, as a promising counterpart of another IceCube muon track candidate, IC200530A, detected on 2020 May 30. Here, these intriguing associations are followed-up by searching for neutrinos in the ANTARES detector from the directions of AT2019dsg and AT2019fdr using a time-integrated approach. As no significant evidence for space clustering is found in the ANTARES data, upper limits on the one-flavor neutrino flux and fluence are set.

연구 동기 및 목표

• ANTARES 중성미자 천체망원경을 사용하여 TDE인 AT2019dsg와 AT2019fdr로부터의 지속적인 고에너지 중성미자 방출을 탐색하기 위해.
• IceCube의 μ 중성미자 사건 IC191001A와 IC200530A와의 위치 일치를 고려하여, 이러한 TDE들이 고에너지 중성미자 소스일 수 있는지 테스트하기 위해.
• 유의미한 신호가 없음을 감안하여, 90% 신뢰수준에서 한 품종 중성미자 흐름과 방출량에 대한 상한선을 설정하기 위해.
• 이론적 TDE 중성미자 방출 모델이 ANTARES 데이터에서 관측된 상한선과 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 다음 세대 중성미자 천체망원경인 KM3NeT와 같은 향후 감도 향상 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• AT2019dsg와 AT2019fdr 발견 이래로 수집된 ANTARES 데이터 전체에 대해 시간 통합 탐색을 수행하였다.
• 에너지 스펙트럼 지수 γ를 가정한 파wer-라우 중성미자 스펙트럼을 기반으로, 천체 위치에서 신호 과잉 여부를 검증하기 위해 우도 방법을 사용하였다.
• 트랙 유사 구조와 재구성된 에너지를 기반으로 중성미자 사건을 선별하였으며, 각도 해상도와 배경 모델링을 활용해 신호 영역을 정의하였다.
• γ = 2.0, 2.5, 3.0에 대해, 90%의 예상 신호 사건이 포함된 에너지 범위를 사용하여 중성미자 흐름 정규화(Φ₀)와 방출량(F)에 대한 상한선을 계산하였다.
• 방출량은 수명기간 ∆t와 에너지 범위 [Emin, Emax] 동안의 시간적 통합 에너지 흐름으로 계산되었으며, F = ∆t × Φ₀ × ∫(Eν × (Eν/1 GeV)^−γ) dEν로 정의된다.
• 신호의 유의미성은 우도 적합에서 유도된 p-값을 사용하여 평가되었으며, 단측 유의수준이 보고되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ANTARES 데이터에서 AT2019dsg와 AT2019fdr 방향으로 고에너지 중성미자 과잉이 유의미하게 관측되었는가?
• RQ2 이 TDE들에 대한 90% 신뢰수준에서 한 품종 중성미자 흐름과 방출량에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ3 상한선은 TDE 중성미자 방출 이론 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 ANTARES 데이터는 IceCube 중성미자 후보 IC191001A와 IC200530A와 일치하는 중성미자 방출을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 ANTARES는 TDE 중성미자 방출에 대해 어떤 감도를 가지며, KM3NeT와 같은 향후 검출기와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• ANTARES 데이터에서 AT2019dsg나 AT2019fdr로부터 유의미한 중성미자 신호는 감지되지 않았으며, E⁻².⁰ 스펙트럼 하에서 AT2019fdr에 대해 최고 국소 유의수준은 1.5σ(기각 p-값 = 6.7%)였다.
• AT2019dsg에 대해 E⁻³.⁰ 스펙트럼 하에서 최적 적합 신호 사건 수는 0.7건(p-값 = 8.9%)이었으며, 이는 1.3σ의 유의수준에 해당했다.
• γ = 3.0일 때 AT2019dsg에 대해 한 품종 중성미자 흐름 정규화 Φ₀에 대한 90% 신뢰수준 상한선은 1.2 × 10⁻³ GeV⁻¹cm⁻²s⁻¹이며, 동일한 γ에서 AT2019fdr에 대해서는 2.0 × 10⁻³ GeV⁻¹cm⁻²s⁻¹였다.
• γ = 3.0일 때 AT2019dsg에 대한 한 품종 중성미자 방출량 F에 대한 상한선은 2.0 × 10⁻³ GeVcm⁻²이며, AT2019fdr에 대해서는 3.0 × 10⁻³ GeVcm⁻²였다. 이는 에너지 범위 2.1–4.7 GeV에서 적용되었다.
• 상한선가 너무 높아 현재 TDE 중성미자 방출 이론 모델을 제약할 수 없으며, ANTARES 감도 이하의 예측 흐름을 가진 모델들이 존재한다.
• 향후 스택킹 분석과 시간 의존성 분석, KM3NeT의 향상된 감도를 통해 TDE 중성미자 방출 탐지 가능성은 향상될 것으로 기대된다.