[論文レビュー] The IceCube Neutrino Observatory Part II: Atmospheric and Diffuse UHE Neutrino Searches of All Flavors

IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+279 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、2009年5月から2010年4月の期間にかけてのIceCube-59データを用いて、大気圏外のニュートリノと宇宙からのニュートリノの寄与を区別するためにエネルギースペクトルの尤度フィッティングを用いた、拡散的宇宙背景ニュートリノの探索を報告する。この分析により、スペクトル指数g = −2の連続的でないパワー・ラウの宇宙背景ニュートリノフラックスに対して、90%信頼水準での予備的上限が43 TeVから6310 TeVのエネルギー範囲で1.7×10⁻⁸ GeV⁻¹ sr⁻¹ cm⁻²に設定された。これは、このエネルギー帯域で現在最も厳しい制約である。

ABSTRACT

Papers on atmospheric and diffuse UHE neutrino searches of all flavors submitted to the 33nd International Cosmic Ray Conference (Rio de Janeiro 2013) by the IceCube Collaboration.

研究の動機と目的

• IceCube-59データにおける高エネルギー宇宙背景ニュートリノの等方的拡散フラックスの探索を目的とする。
• 大気圏ニュートリノのバックグラウンドと潜在的な宇宙からのニュートリノ信号の区別を目的とする。
• 観測されたエネルギースペクトルへの尤度フィッティングを用いて、拡散的宇宙背景ニュートリノフラックスに対する厳密な上限を設定することを目的とする。
• charm中間子の崩壊によるプロンプト大気圏ニュートリノの寄与を評価し、理論的予測と比較することを目的とする。

提案手法

• 2009年から2010年の間にIceCube-59が記録したニュートリノイベントのエネルギースペクトルに対して尤度フィットを実施した。
• フィットにはパイオンおよびカイオンの崩壊に起因する大気圏ニュートリノ成分、ミューオンバックグラウンド、およびcharm中間子の崩壊に起因するプロンプトニュートリノ成分を含めた。
• エネルギースケール、フラックス正規化、宇宙線指数などのノイズパラメータを不確実性の範囲内で変動可能とすることで、システムティックな影響を考慮した。
• 宇宙背景ニュートリノフラックスのスペクトル指数を、フェルミ加速モデルに整合するようにg = −2に固定し、上限を導出する。
• パワー・ラウスペクトルを仮定し、尤度プロファイルを用いて90%信頼水準での上限を計算した。
• 分析結果をEnbergのプロンプトニュートリノフラックスモデルおよび過去のIceCubeの上限と比較し、感度の向上を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IceCube-59データに高エネルギー宇宙背景ニュートリノの拡散フラックスの証拠は見られるか？
• RQ2 ニュートリノイベントの観測エネルギースペクトルは、大気圏およびプロンプトニュートリノ源からの予測とどのように比較されるか？
• RQ3 スペクトル指数g = −2の拡散的宇宙背景ニュートリノフラックスの、43 TeVから6310 TeVのエネルギー範囲における上限は何か？
• RQ4 charm中間子の崩壊に起因するプロンプト大気圏ニュートリノの寄与は、理論的予測と比べてどの程度か？
• RQ5 この上限は、感度の観点から、以前のIceCube解析と比較してどう異なるか？

主な発見

• 宇宙背景ニュートリノフラックスの有意な証拠は得られず、データは大気圏起源と整合的である。
• 最良のフィットモデルには宇宙背景ニュートリノの寄与がなく、尤度がゼロの宇宙背景フラックスで最大値を示した。
• スペクトル指数g = −2の拡散的宇宙背景ニュートリノフラックスに対して、43 TeVから6310 TeVのエネルギー範囲で予備的90%信頼水準の上限が1.7×10⁻⁸ GeV⁻¹ sr⁻¹ cm⁻²に設定された。
• この上限は、以前のIceCubeの上限である3.6×10⁻⁷ GeV⁻¹ sr⁻¹ cm⁻²よりも10倍以上も厳密である。
• charm中間子の崩壊に起因するプロンプト大気圏ニュートリノの寄与は、Enbergら[10]の予測値の9.0倍以下に制限された。これはPeVエネルギー領域でのスペクトル修正を含む。
• 本分析は、以前のIceCube研究と比較して感度が向上しており、このエネルギー帯域における連続的でないパワー・ラウの宇宙背景ニュートリノフラックスの現在の最良の上限を設定した。