[論文レビュー] Multiwavelength study of the region around the ANTARES neutrino excess

F. Schüßler, P. Brun+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、赤経313.5°、赤緯-65.0°におけるANTARESニュートリノ過剰を、電波から非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線にまで及ぶ多波長データを用いて調査した。2.6%の試行補正済みp値（2.2σ）であるが、Fermi-LAT、H.E.S.S.、およびアーカイブデータにおいて顕著な対応源は検出されず、潜在的源のガンマ線放射束に対する上限と距離の下限が得られた。

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.

研究の動機と目的

• ANTARESニュートリノ過剰（赤経313.5°、赤緯-65.0°）のマルチメッセンジャー的対応源を特定すること。
• ニュートリノ過剰が宇宙線加速源に起因する可能性を検証するため、電磁スペクトル全域にわたる関連する高エネルギーガンマ線放射の有無を調査すること。
• VHE観測における非検出に基づき、宇宙背景放射（EBL）によるガンマ線吸収を用いて、仮想的源までの距離の下限を制約すること。
• ハドロニック起源を仮定した場合のH.E.S.S.データを用いたVHEガンマ線放射束の上限を導出すること。

提案手法

• 813日分のANTARESデータ（2007–2010年）を用いて、全天空における点源型ニュートリノ源をアンビンダブル最大尤度法で探索し、3°以内に9イベントのクラスタ、1°以内に5イベントを発見した。
• 電波からX線までのアーカイブ多波長データ、特に2FGL Fermi-LATカタログを用いて、過剰領域付近の潜在的対応源の探索を実施した。
• ニュートリノ過剰と相関するガンマ線放射の有無を調査する目的で、4年間の専用Fermi-LAT解析を実施し、Li & Maの有意性マップを用いた。
• VHEガンマ線領域（閾値～800 GeV）を調査する目的で、45°の天頂角における専用H.E.S.S.観測を実施し、99%信頼水準の上限を求めるにあたり、Feldman & Cousinsの区間推定法を適用した。
• EBL吸収の光学的厚さτ(Eγ, z)をスケーリングされたEBLモデルを用いて計算し、予測されたガンマ線放射束とH.E.S.S.の上限を一致させることで、源の赤方偏移および距離の下限を導出した。
• ハドロニック反応モデルに基づき、ANTARESニュートリノ放射束（Φν ≈ 5.5×10⁻¹¹ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹）を、1 TeVにおける期待されるガンマ線放射束（Φγ ≈ 1.4×10⁻¹⁰ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹）に変換した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波、光学、X線、またはガンマ線帯域において、ANTARESニュートリノ過剰の多波長的対応源は存在するか？
• RQ2 観測されたニュートリノ過剰は、PKS 2047-655 や AC 103 などの既知の天体と相関しているか？
• RQ3 この領域におけるVHEガンマ線放射束の上限は何か？ また、ハドロニック反応による予想放射束と比較するとどうなるか？
• RQ4 宇宙背景放射によるガンマ線吸収を考慮すると、源までの距離にどのような下限が導かれるか？
• RQ5 マルチメッセンジャーデータの制約を踏まえると、ニュートリノ過剰は背景の揺らぎによって説明できるか？

主な発見

• ANTARES過剰から2°以内のFermi-LATデータでは、顕著なガンマ線対応源は検出されず、1°半径領域では背景を超える過剰イベントが4個（1.2σ）にとどまった。
• H.E.S.S.観測では、99%信頼水準のVHEガンマ線放射束上限が得られ、エネルギー閾値は約800 GeVであり、上限は図4の黒い矢印で示された。
• ANTARESニュートリノ過剰から予測されるハドロニックガンマ線放射束（1 TeVにおけるΦγ ≈ 1.4×10⁻¹⁰ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹）は、H.E.S.S.の上限を上回っており、源が非常に遠方にある場合を除き、一貫性がないことを示している。
• τ(Ei, zlim) = −ln(ΦUL,i / Φγ) を解くことで、源の赤方偏移の下限が導出され、99%信頼水準の距離の下限が図6に示された。これにより、ガンマ線吸収が検出可能でなくなるためには、源は数100 Mpc以上離れている必要があることが示された。
• 全波長域で検出可能なガンマ線信号が存在しないこと、および放射束の不一致を踏まえると、ニュートリノ過剰は真の天体物理的源ではなく、背景の揺らぎである可能性が高いと示唆された。
• ANTARESニュートリノ過剰は、多波長のマルチメッセンジャーデータによって説明されず、広範な多波長的精査にもかかわらず、周辺に宇宙線加速源の証拠は得られなかった。