[論文レビュー] Stacked search for time shifted high energy neutrinos from gamma ray bursts with the ANTARES neutrino telescope

ANTARES Collaboration, S. Adrián-Martínez+120 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、2007–2012年のANTARESニュートリノ望遠鏡データおよび公開済みのIceCubeデータ（IC40、2008–2009）を用いて、ガンマ線バースト（GRBs）からの時間遅れの高エネルギーニュートリノを積み上げ検索した。複数のGRBsにおける空間的・時間的一致を分析することで、遅延信号に対する感度が向上し、有意なニュートリノ過剰は観測されなかった。これはバックグラウンドの期待値と整合的であり、時間遅れの放射を予測するモデルに対する厳密な制限を設定した。

ABSTRACT

A search for high-energy neutrino emission correlated with gamma-ray bursts outside the electromagnetic prompt-emission time window is presented. Using a stacking approach of the time delays between reported gamma-ray burst alerts and spatially coincident muon-neutrino signatures, data from the Antares neutrino telescope recorded between 2007 and 2012 are analysed. One year of public data from the IceCube detector between 2008 and 2009 have been also investigated. The respective timing profiles are scanned for statistically significant accumulations within 40 days of the Gamma Ray Burst, as expected from Lorentz Invariance Violation effects and some astrophysical models. No significant excess over the expected accidental coincidence rate could be found in either of the two data sets. The average strength of the neutrino signal is found to be fainter than one detectable neutrino signal per hundred gamma-ray bursts in the Antares data at 90% confidence level.

研究の動機と目的

• ガンマ線バースト（GRBs）からの高エネルギーニュートリノを、光子放出と時間的に遅れて発生するものとして検出すること。
• 複数のGRBsにわたるデータを積み上げることで、弱いまたは遅延したニュートリノ信号に対する感度を向上させること。
• ローレンツ不変性破れやGRBエンジン内での遅延した粒子生成を予測するモデルを検証すること。
• プロンプト放射期間を超えて、最大40日間までニュートリノ-GRB連関の検索ウィンドウを拡大すること。
• ランダム化された天球マップとバックグラウンドシミュレーションを用いて、方法の妥当性を検証し、統計的有意性の推定を堅牢にする。

提案手法

• 積み上げ解析は、Swiftおよび他のミッションで観測された113個のGRBのカタログとニュートリノイベントの空間的・時間的一致を統合する。
• ANTARES（2007–2012）およびIceCube（IC40、2008–2009）のニュートリノ候補を用い、GRBトリガー時刻からのタイミングプロファイルを構築する。
• 各GRBに対して統計量を計算し、サンプル全体にわたって結果を積み上げることで、まれなまたは遅延した信号に対する感度を向上させる。
• バックグラウンドの有意性は、ニュートリノイベントのランダム化された天球マップを用いた擬似実験により推定され、バックグラウンドのみの状況をシミュレートする。
• 観測された一致とバックグラウンド期待値の比較にχ²型の統計量を用い、確率はモンテカルロシミュレーションから導出される。
• 検出器の角度分解能およびエネルギー閾値を考慮し、最大40日間の時間遅れの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ANTARESおよびIceCubeの積み上げデータを用いて、GRBからの時間遅れの高エネルギーニュートリノ信号を検出できるか？
• RQ2 ローレンツ不変性破れに起因するようなモデルを含む、時間遅れニュートリノ放射モデルに対する積み上げ検索法の感度はいかほどか？
• RQ3 真の信号が存在しない場合、この方法はどのように動作するか？また、誤った一致のバックグラウンドレートはどの程度か？
• RQ4 GRBのわずか数パーセントが1つの検出可能なニュートリノを生成する場合、最小でどの程度のニュートリノフラックスを検出可能か？
• RQ5 ANTARESデータにおける一致の不足は、遅延ニュートリノ放射の欠如を示唆するのか、それともバックグラウンドの揺らぎと整合的か？

主な発見

• ANTARESデータでは有意なニュートリノ信号は観測されず、ランダム化されたバックグラウンド試行の98.8%が観測データよりも多くの一致を示した。
• バックグラウンドのみの仮説の下で、観測された一致数以上が得られる確率はANTARESで100%であった。これは過剰が存在しないことを示している。
• IceCube IC40データでは、観測された一致はバックグラウンド期待値と整合的であり、統計量のp値は13.5%であった。
• この方法は、100個のGRBのうち1つが1つの検出可能なニュートリノを生成する信号でさえ検出可能な感度を持つ。
• 遅延ニュートリノ放射に対して厳密な上限が設定され、ANTARES検出器では1GRBあたり約2×10⁻⁴を超えるニュートリノ生成レートを排除した。
• 時間遅れ信号の検索ウィンドウは最大40日まで拡大され、従来のGRBニュートリノ探索の範囲を顕著に拡大した。