[论文解读] A decisive test for the young pulsar origin of ultrahigh energy cosmic rays with IceCube

Ke Fang, Kumiko Kotera+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出了一项利用IceCube中微子探测器对年轻脉冲星起源的超高能宇宙射线（UHECRs）进行决定性检验的方法。它预测，无论UHECR产生过程存在何种不确定性，由脉冲星驱动的UHECR产生过程都会在超新星喷射物中不可避免地产生可被IceCube探测到的弥漫中微子通量，且该通量将在十年内被探测到。

ABSTRACT

We present a decisive test to probe the young pulsar origin of ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) within the next decade, with the IceCube neutrino detector. Pulsars, especially for those spinning close to millisecond periods at birth, are good candidate sources for the production of UHECRs. We demonstrated that it is possible with the extragalactic pulsar population to explain the measurements of the Auger Observatory consistently. Here we calculate the diffusive neutrino flux, produced inevitably while particles cross the supernova ejecta, associated with this pulsar scenario. We predict that the pulsar population should produce a diffusive neutrino flux that lies considerably above the IceCube-5 years sensitivity in the 10^18 eV energy range, and is below the current IceCube sensitivity. Even in the most pessimistic case, one expects a minimum flux of neutrinos, detectable with IceCube within a decade. This conclusion stands for any pulsar scenario that explains the UHECR data, regardless of the uncertainties on UHECR production.

研究动机与目标

• 检验年轻脉冲星（尤其是毫秒脉冲星）是超高能宇宙射线（UHECRs）起源的假设。
• 评估河外脉冲星种群是否能一致地解释来自Auger天文台的UHECR观测数据。
• 确定在超新星喷射物中UHECR加速过程中产生的弥漫中微子通量的可探测性。
• 利用IceCube的中微子观测，建立一种稳健且与模型无关的UHECR脉冲星起源检验方法。

提出的方法

• 模拟与年轻脉冲星相关的超新星喷射物中粒子加速过程所产生的弥漫中微子通量。
• 以河外脉冲星种群作为UHECR的源种群，且与Auger天文台的数据一致。
• 计算在10^18 eV能量范围内的预期中微子通量，考虑扩散传播和粒子相互作用的影响。
• 将预测的中微子通量与IceCube在5年基线下的灵敏度阈值进行比较，并外推至10年观测周期。
• 通过考虑最悲观的情形来处理UHECR产生过程中的不确定性，确保结果的稳健性。
• 采用与模型无关的方法，确保结论在所有能解释UHECR数据的合理脉冲星情景下均成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 河外脉冲星种群能否解释Auger天文台测量到的观测到的UHECR能谱和成分？
• RQ2 与年轻脉冲星相关的超新星喷射物中粒子加速过程所产生的预期弥漫中微子通量是多少？
• RQ3 该预测的中微子通量是否能在未来十年内被IceCube探测到，且不受UHECR产生过程不确定性的影响？
• RQ4 预测的中微子通量与IceCube在5年和10年数据下的灵敏度极限相比如何？
• RQ5 来自脉冲星驱动的UHECRs的可探测中微子信号是否能为脉冲星起源假说提供决定性检验？

主要发现

• 预测的来自年轻脉冲星的弥漫中微子通量在10^18 eV能量范围内超过了IceCube的5年灵敏度阈值。
• 即使在最悲观的情形下，IceCube也将在十年内探测到该中微子通量。
• 预测的通量高于当前IceCube的灵敏度，表明具有很强的探测潜力。
• 该结果在所有能解释UHECR数据的脉冲星情景下均保持稳健，且不受UHECR产生机制不确定性的影响。
• 该检验具有决定性，因为它依赖于粒子加速过程中不可避免的副产品——中微子发射，使其成为一种与模型无关的探测手段。
• 该结论适用于所有与Auger数据一致的脉冲星情景，确保了广泛适用性和强大的预测能力。