[논문 리뷰] Search for Spatial Correlations of Neutrinos with Ultra-high-energy Cosmic Rays

M. André, Alves, S.외 1041명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 앤테레스와 아이스컵이 검출한 고에너지 뉴트리노와 초고에너지우주선(UHECRs) 사이의 공간적 상관관계를 여러 천구 영역에서 교차상관 기법을 사용해 탐색한다. 유의미한 상관관계는 발견되지 않았으며, 이는 뉴트리노 소스와 관련된 UHECR 비율에 대한 엄격한 상한선을 설정함으로써, 우주 내에서의 초고에너지우주선 및 고에너지 뉴트리노 생성 모델을 제약한다.

ABSTRACT

For several decades, the origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) has been an unsolved question of high-energy astrophysics. One approach for solving this puzzle is to correlate UHECRs with high-energy neutrinos, since neutrinos are a direct probe of hadronic interactions of cosmic rays and are not deflected by magnetic fields. In this paper, we present three different approaches for correlating the arrival directions of neutrinos with the arrival directions of UHECRs. The neutrino data are provided by the IceCube Neutrino Observatory and ANTARES, while the UHECR data with energies above ∼50 EeV are provided by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array. All experiments provide increased statistics and improved reconstructions with respect to our previous results reported in 2015. The first analysis uses a high-statistics neutrino sample optimized for point-source searches to search for excesses of neutrino clustering in the vicinity of UHECR directions. The second analysis searches for an excess of UHECRs in the direction of the highest-energy neutrinos. The third analysis searches for an excess of pairs of UHECRs and highest-energy neutrinos on different angular scales. None of the analyses have found a significant excess, and previously reported overfluctuations are reduced in significance. Based on these results, we further constrain the neutrino flux spatially correlated with UHECRs.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지우주선(UHECRs)이 고에너지 뉴트리노와 같은 근원에서 생성된다는 가설을 검증하기 위해.
• UHECRs와 뉴트리노의 공간적 군집이 공통의 천체물리적 기원을 나타내는지 조사하기 위해.
• 교차상관 분석을 통해 고에너지 뉴트리노 근원과 관련된 UHECR 비율을 제약하기 위해.
• 우주 내 초고에너지우주선 및 고에너지 뉴트리노의 기원과 가속 메커니즘에 대한 이해를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 앤테레스와 아이스컵 뉴트리노 관측소에서 확보한 고에너지 뉴트리노 데이터를 활용한다.
• 피에르 아제르 관측소와 텔레스코프 어레이 실험에서 확보한 UHECR 도착 방향 데이터를 결합한다.
• 천구 전역에서 UHECRs와 뉴트리노의 공간 분포를 비교하기 위해 교차상관 기법을 적용한다.
• 잠재적 연관성의 통계적 유의성을 정량화하기 위해 각도 기반 교차상관 함수를 사용한다.
• 배경을 모델링하고 유의미성 기준을 평가하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용한다.
• 다양한 근원 모델 하에서 상관관계가 없는 근본가설을 평가하기 위해 통계적 검정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고에너지우주선과 고에너지 뉴트리노 사이에 통계적으로 유의미한 공간적 상관관계가 있는가?
• RQ2 고에너지 뉴트리노를 방출하는 근원과 관련된 UHECR 비율은 얼마인가?
• RQ3 UHECRs와 뉴트리노의 도착 방향이 공통의 천체물리적 기원을 일관되게 나타내는가?
• RQ4 결과는 우주 내 UHECR 및 고에너지 뉴트리노 생성 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 기존 또는 후보 뉴트리노 근원에서 기인하는 UHECR 비율에 대한 상한선는 무엇인가?

주요 결과

• 앤테레스와 아이스컵에서 검출한 도착 방향 간에 UHECRs와 고에너지 뉴트리노 사이에 유의미한 공간적 상관관계가 관측되지 않았다.
• 분석 결과, 고에너지 뉴트리노 근원과 관련된 UHECR 비율에 대한 상한선가 설정되었으며, 일반적인 근원 모델에서 90% 신뢰수준에서 10% 이하로 제약된다.
• 모든 측정 각도 스케일에서 배경 기대치를 초과하는 초과가 관측되지 않았다.
• 잠재적 근원 집단이 다양한 플럭스와 분포를 가질 경우를 고려하더라도 결과는 상관관계가 없는 근본가설과 일치한다.
• 상한선는 다양한 천구 영역과 에너지 임계값에서 강인하며, 이전 제약보다 향상되었다.
• 이 연구는 현재까지 가장 광범위한 초고에너지우주선과 고에너지 뉴트리노 사이의 공간적 상관관계 탐색을 수행하였으며, 네 개의 주요 관측소에서 확보한 다중메시저 데이터를 활용하였다.