[论文解读] Search for Spatial Correlations of Neutrinos with Ultra-high-energy Cosmic Rays

M. André, Alves, S.+1041 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用跨区域交叉相关技术，搜索了来自 ANTARES 和 IceCube 探测到的高能中微子与超高能宇宙射线（UHECRs）之间的空间相关性。未发现显著相关性，从而对与中微子源相关的UHECR比例设定了严格上限，进而约束了宇宙中宇宙射线与中微子产生机制的模型。

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.

研究动机与目标

• 检验超高能宇宙射线（UHECRs）与高能中微子源自相同源的假设。
• 研究UHECRs与中微子的空间聚集是否表明其具有共同的天体物理起源。
• 通过交叉相关分析，约束与高能中微子源相关的UHECR比例。
• 增进对宇宙中UHECRs与高能中微子起源及加速机制的理解。

提出的方法

• 利用来自 ANTARES 和 IceCube 中微子观测站的高能中微子数据。
• 结合来自 Pierre Auger 观测站与 Telescope Array 实验的UHECR到达方向数据。
• 应用交叉相关技术，比较天空中UHECRs与中微子的空间分布。
• 采用角交叉相关函数，量化潜在关联的统计显著性。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模背景并评估显著性阈值。
• 应用统计检验，评估在各种源模型下无相关性的原假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 UHECRs与高能中微子之间是否存在统计上显著的空间相关性？
• RQ2 与发射高能中微子的源相关的UHECR比例是多少？
• RQ3 UHECRs与中微子的到达方向是否表现出与共同天体物理起源一致的聚集特征？
• RQ4 结果如何约束宇宙中UHECR与高能中微子产生模型？
• RQ5 已知或候选中微子源的UHECR起源比例上限是多少？

主要发现

• 在来自 ANTARES 和 IceCube 的UHECRs与高能中微子的到达方向之间未观察到显著的空间相关性。
• 该分析设定了与高能中微子源相关的UHECR比例上限，在典型源模型下，90%置信水平下该比例小于10%。
• 交叉相关函数在所有测试的角度尺度上均未显示出超过背景预期的超额。
• 即使考虑具有不同通量和分布的潜在源群体，结果仍与无相关性的原假设一致。
• 上限在不同天区和能量阈值下均具有鲁棒性，优于以往的约束。
• 本研究使用来自四大主要观测站的多信使数据，对UHECRs与高能中微子之间的空间相关性进行了迄今为止最全面的搜索。