[論文レビュー] Search for Galactic Core-collapse Supernovae in a Decade of Data Taken with the IceCube Neutrino Observatory

Abbasi, R., Ackermann, M.+404 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、2008–2019年の10.735年間のIceCubeデータ（10.735年分）において、銀河系および近隣の矮星銀河の核崩壊超新星（CCSNe）からのニュートリノを探索した。最適化されたイベント選別とスペクトルモデリングを用い、銀河系および近隣の矮星銀河のCCSNeを検出することを目的とした。ニュートリノ候補は検出されなかったため、25 kpc圏内の年間0.23件未満の90%信頼区間上限が得られ、保守的8.8 M⊙起源モデルのニュートリノ放射度以上を有する銀河系CCSNeの99%に感度を持つことが判明した。

ABSTRACT

The IceCube Neutrino Observatory has been continuously taking data to search for s long neutrino bursts since 2007. Even if a Galactic core-collapse supernova is optically obscured or collapses to a black hole instead of exploding, it will be detectable via the MeV neutrino burst emitted during the collapse. We discuss a search for such events covering the time between 2008 April 17 and 2019 December 31. Considering the average data taking and analysis uptime of 91.7% after all selection cuts, this is equivalent to 10.735 yr of continuous data taking. In order to test the most conservative neutrino production scenario, the selection cuts were optimized for a model based on an 8.8 solar mass progenitor collapsing to an O–Ne–Mg core. Conservative assumptions on the effects of neutrino oscillations in the exploding star were made. The final selection cut was set to ensure that the probability to detect such a supernova within the Milky Way exceeds 99%. No such neutrino burst was found in the data after performing a blind analysis. Hence, a 90% C.L. upper limit on the rate of core-collapse supernovae out to distances of ≈25 kpc was determined to be 0.23 yr$^{−1}$. For the more distant Magellanic Clouds, only high neutrino luminosity supernovae will be detectable by IceCube, unless external information on the burst time is available. We determined a model-independent limit by parameterizing the dependence on the neutrino luminosity and the energy spectrum.

研究の動機と目的

• 10.735年分のIceCubeデータを用いて、銀河系およびその矮星銀河同伴からの核崩壊超新星ニュートリノを探索すること。
• ニュートリノ放射度モデルに基づき、銀河系の核崩壊超新星の検出感度限界を確立すること。
• 25 kpc圏内の銀河系の核崩壊超新星発生率に対する90%信頼区間上限を設定すること。
• 起源質量に依存しない指標Xを用いて、大マゼラン雲および小マゼラン雲における超新星の検出可能性を評価すること。
• 将来のアップグレードを想定した際のIceCube検出器の性能、特にスペクトル感度と距離到達範囲の向上を評価すること。

提案手法

• ランダムで一時的な核崩壊超新星ニュートリノバーストを想定し、IceCube検出器向けに最適化されたイベント選別カットを適用した。
• ニュートリノエネルギースペクトルをモデリングするため、スペクトル形状パラメータαを用い、時間積分量X = ∫ dt Lν_SN(t) × ⟨Eν(t)⟩² × (2+α(t))(3+α(t))/(1+α(t)²) に注目した。
• 大マゼラン雲におけるモデルの検出可能性を特定するためのしきい値条件X ≥ 2.67 × 10⁶¹ MeV³を定義した。これには27 M⊙モデルおよびブラックホールモデルが含まれる。
• 1 Hzのナイキスト周波数まで、周期的信号（例えば「ニュートリノパulsar」の可能性）を探索するため、Lomb-Scargle周期ogram解析を実施した。
• 周波数領域での日周変動およびランの遷移アーチファクトの分析を通じて、データ品質および系制度を評価した。
• 観測されたイベントの不在に基づき、90%信頼区間上限としての核崩壊超新星発生率を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10.735年間にわたり、IceCubeは銀河系およびその矮星衛星銀河における核崩壊超新星の検出感度はどの程度か？
• RQ2 null検出に基づき、25 kpc圏内の銀河系の核崩壊超新星発生率に対する90%信頼区間上限は何か？
• RQ3 X指標で定義される大マゼラン雲におけるどの超新星起源モデルがIceCubeで検出可能か？
• RQ4 IceCubeデータに、「ニュートリノパulsar」やその他の非一時的現象を示唆する周期的または持続的ニュートリノ信号は存在するか？
• RQ5 現在のデータおよび解析手法は、スペクトル分解能および検出距離の向上を図るIceCubeアップグレードの期待される性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 10.735年間のIceCubeデータにおいて、ニュートリノ候補イベントは検出されず、25 kpc圏内の銀河系の核崩壊超新星発生率に対する90%信頼区間上限は年間0.23件に設定された。
• IceCubeは、保守的8.8 M⊙起源モデルのニュートリノ放射度以上を有する銀河系の核崩壊超新星の99%に感度を持つ。
• X指標のしきい値2.67 × 10⁶¹ MeV³により、27 M⊙およびブラックホールモデルが大マゼラン雲で検出可能と特定され、このシステムへの上限の拡張が可能になった。
• Lomb-Scargle周期ogram解析では、既知の日周変動および高周波数アーチファクトを超える顕著な周期的信号は検出されなかった。
• 信号の不在は、データ品質評価の妥当性およびイベント選別とバックグラウンドモデリングの妥当性を裏付けるものである。
• 本結果は、将来のニュートリノ天文学のベンチマークを提供し、特にスペクトル分解能および検出距離の向上を図るIceCubeアップグレードの期待される性能向上についての知見を提供する。