[论文解读] Photopion Production in Black-Hole Jets and Flat-Spectrum Radio Quasars as PeV Neutrino Sources

C. D. Dermer, Kohta Murase+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文提出，具有相对论性喷流的平光谱射电类星体（FSRQ）可通过超高能宇宙射线质子与喷流区（BLR）光子之间的光致强子反应产生拍电子伏（PeV）中微子。该模型预测，由于光致强子反应的阈值效应，中微子通量在约1 PeV以下出现抑制，与冰立方（IceCube）数据中未观测到亚PeV能量段过量事件的结果一致，表明FSRQ是观测到的高能中微子的可行来源。

ABSTRACT

The IceCube collaboration has reported neutrinos with energies between ~30 TeV and a few PeV that are significantly enhanced over the cosmic-ray induced atmospheric background. Viable high-energy neutrino sources must contain very high-energy and ultra-high energy cosmic rays while efficiently making PeV neutrinos. Gamma-ray Bursts (GRBs) and blazars have been considered as candidate cosmic-ray accelerators. GRBs, including low-luminosity GRBs, can be efficient PeV neutrino emitters for low bulk Lorentz factor outflows, although the photopion production efficiency needs to be tuned to simultaneously explain ultra-high-energy cosmic rays. Photopion production efficiency of cosmic-rays accelerated in the inner jets of flat spectrum radio quasars (FSRQs) is ~1-10% due to interactions with photons of the broad-line region (BLR), whereas BL Lac objects are not effective PeV neutrino sources due to the lack of external radiation fields. Photopion threshold effects with BLR photons suppress neutrino production below ~1 PeV, which imply that neutrinos from other sources would dominate over the diffuse neutrino intensity at sub-PeV energies. Reduction of the >> PeV neutrino flux can be expected when curving cosmic-ray proton distributions are employed. Considering a log-parabolic function to describe the cosmic-ray distribution, we discuss possible implications for particle acceleration in black-hole jets. Our results encourage a search for IceCube PeV neutrino events associated with gamma-ray loud FSRQs using Fermi-LAT data. In our model, as found in our previous work, the neutrino flux is suppressed below 1 PeV, which can be tested with increased IceCube exposure.

研究动机与目标

• 通过识别可行的天体物理源，解释冰立方（IceCube）对高能中微子（30 TeV–2 PeV）的观测。
• 研究FSRQ喷流中的光致强子产生是否可解释观测到的弥漫PeV中微子通量。
• 理解为何中微子通量在约1 PeV以下被抑制，该现象与IceCube数据的观测结果一致。
• 评估宇宙射线质子能谱分布与多普勒增强效应对中微子能谱形状的影响。
• 检验假设：由于存在外部辐射场，FSRQ比BL Lac对象更有效产生PeV中微子。

提出的方法

• 利用质子与喷流区（BLR）光子通过反应 p + γ → Δ → p + π 进行FSRQ喷流中光致强子产生的建模。
• 应用π介子产生的阈值条件：γ_p ε* ≥ m_π / m_e ≈ 300，其中ε*为质子静止参考系中的光子能量。
• 使用非弹性度与截面乘积 K_φπ(ε̄_r)σ_φπ(ε̄_r) ≈ σ̂ H(ε̄_r - ε̄_thr)，其中 σ̂ = 70 μb 且 ε̄_thr ≈ 300。
• 利用对数抛物形宇宙射线质子能谱计算质子能量损失 timescales 与中微子产生效率。
• 评估多普勒因子 δ_D 及其对中微子能量与通量的影响，其中 δ_D ≈ 11L_48^{1/4}/(t_var^{1/4} f_0^{1/4} 10^{1/16b} ε_pk^{1/4}) 适用于喷流几何结构。
• 将模型预测与IceCube数据对比，特别关注约2 PeV以上事件缺失及1 PeV以下的抑制现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 FSRQ喷流中的光致强子产生能否解释IceCube观测到的PeV中微子通量？
• RQ2 为何弥漫中微子通量在约1 PeV以下被抑制？这是否与光致强子反应的阈值效应一致？
• RQ3 为何BL Lac对象作为PeV中微子源效率低下，而FSRQ则更有效？
• RQ4 弯曲的宇宙射线质子能谱（如对数抛物形）如何影响预测的中微子能谱？
• RQ5 能否利用Fermi-LAT与IceCube的多信使数据对模型进行检验？

主要发现

• FSRQ喷流中光致强子产生的效率估计为1%–10%，这是由于与BLR光子的相互作用所致。
• 由于光致强子反应的阈值效应，中微子通量在约1 PeV以下被抑制，与IceCube观测到的亚PeV能量段无过量事件的结果一致。
• 该模型预测中微子能谱在约1 PeV处出现截止，其中 E_ν ≈ 0.05 m_p c^2 (m_π / m_e ε*) 对应Lyman-α光子。
• BL Lac对象作为PeV中微子源效率低下，是因为缺乏类似BLR的强外部辐射场。
• 采用对数抛物形质子能谱可降低高能中微子通量，与IceCube数据中约2 PeV以上无事件的现象一致。
• 该模型预测高能中微子事件与γ射线辐射强烈的FSRQ之间存在可探测的相关性，支持利用Fermi-LAT数据进行搜索。