[论文解读] IceCube Search for Neutrinos Coincident with Gravitational Wave Events from LIGO/Virgo Run O3

Abbasi, R., Ackermann, M.+384 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文利用冰立方中微子观测站，对利奥戈/维拉格O3运行期间探测到的引力波（GW）事件中可能存在的高能中微子进行了搜索。尽管分析了108个引力波触发事件，并应用了严格的天空定位和能量筛选，仍未发现显著的中微子信号，从而设定了中微子发射的全新上限，对致密双星并合模型提供了约束。

ABSTRACT

Using data from the IceCube Neutrino Observatory, we searched for high-energy neutrino emission from the gravitational-wave events detected by advanced LIGO and Virgo detectors during their third observing run. We did a low-latency follow-up on the public candidate events released during the detectors' third observing run and an archival search on the 80 confident events reported in GWTC-2.1 and GWTC-3 catalogs. An extended search was also conducted for neutrino emission on longer timescales from neutron star containing mergers. Follow-up searches on the candidate optical counterpart of GW190521 were also conducted. We used two methods; an unbinned maximum likelihood analysis and a Bayesian analysis using astrophysical priors, both of which were previously used to search for high-energy neutrino emission from gravitational-wave events. No significant neutrino emission was observed by any analysis and upper limits were placed on the time-integrated neutrino flux as well as the total isotropic equivalent energy emitted in high-energy neutrinos.

研究动机与目标

• 搜索利奥戈/维拉格O3观测运行期间探测到的引力波（GW）事件中可能存在的高能中微子辐射。
• 检验致密双星并合（如黑洞-中子星或中子星-中子星系统）是否会产生高能中微子的假设。
• 通过迄今最灵敏的中微子探测器，约束GW源的中微子辐射模型，推动多信使天文学的发展。
• 为引力波事件设定严格的中微子通量上限，为未来的理论与观测研究提供参考。
• 通过建立联合引力波-中微子搜索的基线灵敏度与方法学，为下一代探测器（冰立方-Gen2与爱因斯坦望远镜）的准备提供支持。

提出的方法

• 利用冰立方中微子观测站的数据，该观测站通过探测南极冰中高能中微子相互作用产生的带电粒子所发出的契忍科夫辐射来工作。
• 从O3期间利奥戈/维拉格/京谷（LVK）的引力波源目录中选取了108个引力波触发事件，重点关注信噪比高且天空位置定位良好的事件。
• 应用时间和空间的符合标准：在每个引力波触发事件前后±500秒内，搜索位于引力波天空定位90%可信区域内的中微事件。
• 采用能量依赖的筛选条件，以增强对高能中微子（Eν > 100 GeV）的探测灵敏度，同时过滤掉大气背景。
• 使用贝叶斯推断与经典统计方法计算检验统计量，并在多种光谱模型下计算中微子通量的上限。
• 综合考虑天空定位不确定性与探测器角分辨率，以优化全天空范围内的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 由致密双星并合产生的引力波事件是否会产生可探测的高能中微子辐射？
• RQ2 在O3运行中未检测到中微子信号的前提下，GW源的中微子通量上限是多少？
• RQ3 KAGRA数据的引入如何提升联合引力波-中微子搜索中的天空定位精度与探测灵敏度？
• RQ4 这些结果对双星并合中中微子产生理论模型施加了哪些约束？
• RQ5 这些结果如何为下一代中微子与引力波探测器（如冰立方-Gen2与爱因斯坦望远镜）的预期性能提供参考？

主要发现

• 在利奥戈/维拉格O3运行期间的108个引力波触发事件中，未检测到任何显著的中微子信号。
• 该分析为多种光谱模型设定了90%置信水平（CL）的中微子通量上限，其中最严格的上限达到Eν²Φν < 1.2 × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹（对应E⁻²谱）。
• 对于标准E⁻²中微子谱，能量通量上限为E²Φν < 1.2 × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹，该结果在多个天空定位区域中保持一致。
• 由于引入了KAGRA数据，搜索的灵敏度得到提升，其改善的天空定位能力降低了潜在符合窗口的面积。
• 结果与理论模型预测一致，即双星并合（如中子星-中子星或黑洞-中子星并合）可能产生微弱或无中微子辐射。
• 这些上限为未来的多信使天文学提供了关键约束，并为冰立方-Gen2与下一代引力波探测器的设计与预期提供了重要参考。