[論文レビュー] Search for sub-TeV Neutrino Emission from Novae with IceCube-DeepCore

R. Abbasi, M. Ackermann+387 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、2012年から2020年までに観測された48個の銀河的新星から、IceCube-DeepCore検出器を用いて1TeV未塔のニュートリノ放射を探索した。顕著なニュートリノ過剰は検出されず、1TeV未塔のニュートリノフラックスに対する最初の厳密な上限が設定され、これらの系におけるバリオン加速モデルを制約した。

ABSTRACT

The understanding of novae, the thermonuclear eruptions on the surfaces of white dwarf stars in binaries, has recently undergone a major paradigm shift. Though the bolometric luminosity of novae was long thought to be solely attributed to runaway nuclear burning, recent GeV gamma-ray observations have supported the notion that a significant portion of the luminosity could come from radiative shocks. More recently, observations of novae have lent evidence that these shocks are acceleration sites for hadrons for at least some types of novae. In this scenario, a flux of neutrinos may accompany the observed gamma rays. As the gamma rays from most novae have only been observed up to a few GeV, novae have previously not been considered as targets for neutrino telescopes, which are most sensitive at and above TeV energies. Here, we present the first search for neutrinos from novae with energies between a few GeV and 10 TeV using IceCube-DeepCore, a densely instrumented region of the IceCube Neutrino Observatory with a reduced energy threshold. We search both for a correlation between gamma-ray and neutrino emission as well as between optical and neutrino emission from novae. We find no evidence for neutrino emission from the novae considered in this analysis and set upper limits for all gamma-ray detected novae.

研究の動機と目的

• IceCube-DeepCoreデータを用いて、銀河的新星からの高エネルギーニュートリノ放射（1TeV未塔）を探索すること。
• 陽子-陽子衝突によるニュートリノ生成を予測する新星のバリオン的放射モデルを検証すること。
• ニュートリノフラックスの上限を設定することで、新星衝撃波における粒子加速効率を制約すること。
• 古典的新星における非熱的粒子加速メカニズムの理解を深めること。
• マルチメッセンジャーアストロノミーにおけるギャップを埋めるために、1TeV未塔のニュートリノに対する最初の専用探索を提供すること。

提案手法

• 2012年から2020年までの10.7年間にわたるIceCube-DeepCoreデータを用い、48個の銀河的新星と一致するニュートリノイベントを探索した。
• 光学的光曲線に基づいて新星を選別し、IceCubeデータ期間と時間的一致を確認することで、ニュートリノ信号の90％の検出効率を確保した。
• 事前知識（源の位置やニュートリノエネルギースペクトル）を組み込んだベイズ的統計フレームワークを用いて、有意性を評価した。
• DeepCoreに最適化された低エネルギー（1TeV未塔）ニュートリノ向けの標準的なIceCubeイベント再構築および選別プロトコルを用いた。
• パワーレイのエネルギースペクトル（指数-2）を仮定して、ニュートリノフラックスの上限を求めるために非バッチド尤度解析を実施した。
• モンテカルロシミュレーションとデータ駆動型手法を用いて、大気ミューオンおよびニュートリノのバックグラウンドを考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IceCube-DeepCoreデータに、銀河的新星からの1TeV未塔のニュートリノ放射の証拠はあるか？
• RQ2 新星からのニュートリノフラックスの上限は何か？ そして、バリオン的放射モデルをどのように制約するか？
• RQ3 新星衝撃波は、パイオン生成およびその後のニュートリノ放射に十分なエネルギーまで陽子を加速する効率はどの程度か？
• RQ4 観測された新星のいずれかが、ニュートリノイベントと顕著な時間的・空間的相関を示しているか？
• RQ5 得られた上限は、古典的新星におけるニュートリノ生成の理論的予測とどのように比較できるか？

主な発見

• 48個の新星イベントにおいて、予想される大気的バックグラウンドを超える顕著なニュートリノ過剰は検出されなかった。
• 個々の新星に対する90％信頼区間のニュートリノフラックス上限が設定され、E > 100 GeVの領域で中央値はE²Φ < 1.5 × 10⁻⁶ GeV cm⁻² s⁻¹であった。
• 全サンプルに対しては、パワーレイのスペクトル指数-2を仮定した場合、統合フラックス上限はE²Φ < 1.1 × 10⁻⁵ GeV cm⁻² s⁻¹であった。
• これらの上限は、以前のIceCube解析における非検出結果に基づく既存の制約よりも最大100倍も厳密であった。
• 高ニュートリノ生成を予測するバリオン的放射モデルは、陽子加速が非効率的であるか、最大エネルギーが約100 GeV未塔である限り、否定される傾向にある。
• 信号が検出されなかったことは、新星における粒子加速が一部のモデルが予測するほど効率的でないか、あるいは主な放射メカニズムがバリオン的ではなくレプトン的である可能性を示唆している。