[论文解读] TeV photons and Neutrinos from giant soft-gamma repeaters flares

F. Halzen, Hagar Landsman+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出，软伽马重复暴（SGRs）的巨耀发，特别是2004年12月27日的SGR 1806-20，若其强磁场中发生质子加速，则可能产生可探测的TeV光子和高能中微子。利用AMANDA和Milagro作为探测器，该研究估算伽马射线簇射和中微子诱导相互作用产生的μ子和簇射事件率，表明由于在严格的时间和角度约束下背景极低，IceCube类中微子望远镜可对这些耀发实现高灵敏度探测。

ABSTRACT

During the last 35 years three giant flares were observed from so-called Soft Gamma Repeaters (SGR's). They are assumed to be associated with star-quakes of pulsars accelerating electrons and, possibly, protons to high energy in the huge magnetic fields as inferred from the observations. Because of this and the observation of non-thermal emission it has been speculated that they may be cosmic ray accelerators producing gamma-rays up to TeV energies. Neutrino telescopes, such as AMANDA and the ANTARES now under construction, could be used as TeV-gamma detectors for very short emissions by measuring underground muons produced in $γ$ showers. We estimate signal and background rates for TeV photons from SGR giant flares in AMANDA, and we provide an estimate of the gamma shower events that Milagro could detect. Moreover, we consider that, if hadrons are accelerated in these sources, high energy neutrinos would be produced together with photons. These may be detected in neutrino telescopes using neutrino-induced cascades and upgoing muons. We argue that the Antarctic Muon and Neutrino Detector Array AMANDA may have observed the December 27, 2004 giant flare from the soft gamma-ray repeater SGR 1806-20 if the non-thermal component of the spectrum extends to TeV energies (at present the actual data is subject to blind analysis). Rates should be scaled by about two orders of magnitude in km3 detectors, such as IceCube, making SGR flares sources of primary interest.

研究动机与目标

• 探究软伽马重复暴（SGRs）的巨耀发是否能通过超强度磁场中的质子加速产生可探测的TeV光子和高能中微子。
• 评估利用现有和计划中的中微子与伽马射线探测器探测这些高能辐射的可行性。
• 评估地下探测器如AMANDA和Milagro通过伽马射线簇射产生的μ子和中微子簇射观测短时强爆发的潜力。
• 在现实光谱假设下，对光子和中微子信号的事件率提供定量估算。
• 探讨负探测结果对理解SGR耀发与银河系伽马射线暴之间关联的启示。

提出的方法

• 利用SGR 1900+14巨耀发的Beppo-SAX光谱数据，建立TeV光子光谱模型，并外推至SGR 1806-20。
• 应用Δ共振过程（p + γ → Δ → nπ⁺ → nμ⁺ν̄μ → ne⁺νeν̄μ）估算π介子和中微子产生的最小与最大能量。
• 利用表面探测器技术与簇射发展模型，估算Milagro中伽马射线簇射产生的μ子率。
• 利用中微子相互作用的有效面积数据及时间与方向约束下的大气背景抑制方法，计算AMANDA中μ子和簇射事件率。
• 应用中微子振荡与吸收模型，预测所有中微子味的等效通量与事件率。
• 利用AMANDA-II和ANTARES的能量依赖有效面积，计算不同光谱指数下的每秒事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 SGR巨耀发是否可通过超强度磁场中质子加速产生TeV光子和高能中微子？
• RQ2 在Milagro等表面探测器和AMANDA等地下探测器中，伽马射线簇射产生的μ子事件率预期是多少？
• RQ3 中微子望远镜的事件率如何随探测器体积变化？IceCube类km³量级探测器对SGR耀发的灵敏度如何？
• RQ4 时间与角度约束是否能有效抑制大气μ子与中微子背景，从而实现对瞬态SGR耀发的探测？
• RQ5 若未探测到信号，将对SGR耀发光谱延伸至TeV波段的程度及其与银河系伽马射线暴的相似性施加何种约束？

主要发现

• 若中微子光谱遵循指数为-1.47的幂律，AMANDA每秒可探测到高达2×10⁶个向上穿行的μ子，来自SGR 1806-20巨耀发产生的中微子。
• 对于指数为-1.85的中微子光谱，AMANDA中预期的簇射事件率约为每秒9×10⁻⁵，对于更陡的光谱则增至每秒5×10⁻⁴。
• 若光子光谱延伸至200 TeV且光谱指数为-0.73，Milagro每秒可探测到约1×10⁷个μ子，来自伽马射线簇射。
• 在km³量级探测器（如IceCube）中，事件率约提升两个数量级，使SGR耀发成为此类仪器的理想探测目标。
• 由于时间与角度约束严格，大气μ子背景可忽略不计，从而实现对瞬态信号的高灵敏度探测。
• 若未探测到信号，将对SGR耀发光谱延伸至TeV波段的程度施加约束，并对这些耀发与小型银河系伽马射线暴相似性的假说构成挑战。