[论文解读] A Search for IceCube Sub-TeV Neutrinos Correlated with Gravitational-wave Events Detected By LIGO/Virgo

Rasha Abbasi, M. Ackermann+388 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究在2015至2020年间LIGO/Virgo探测到的引力波事件与IceCube探测到的亚TeV中微子发射之间进行相关性搜索。基于对90个引力波事件的时间与方向一致性分析，未发现显著的中微子超额，对各类源类型在1–100 GeV能量范围内的中微子通量设定了上限，其中对双黑洞（BBH）和中子星-黑洞（NSBH）并合事件的约束最为严格。

ABSTRACT

The LIGO/Virgo collaboration published the catalogs GWTC-1, GWTC-2.1 and GWTC-3 containing candidate gravitational-wave (GW) events detected during its runs O1, O2 and O3. These GW events can be possible sites of neutrino emission. In this paper, we present a search for neutrino counterparts of 90 GW candidates using IceCube DeepCore, the low-energy infill array of the IceCube Neutrino Observatory. The search is conducted using an unbinned maximum likelihood method, within a time window of 1000 s and uses the spatial and timing information from the GW events. The neutrinos used for the search have energies ranging from a few GeV to several tens of TeV. We do not find any significant emission of neutrinos, and place upper limits on the flux and the isotropic-equivalent energy emitted in low-energy neutrinos. We also conduct a binomial test to search for source populations potentially contributing to neutrino emission. We report a non-detection of a significant neutrino-source population with this test.

研究动机与目标

• 检验致密双星并合（BBH、NSBH、BNS）是否产生IceCube可探测的高能中微子的假设。
• 探究在致密天体并合产生的引力波瞬变事件中是否伴随产生亚TeV中微子。
• 利用对90个LIGO/Virgo触发事件的时间与方向一致性分析，约束引力波事件的中微子通量。
• 改进对恒星级质量黑洞与中子星并合事件中微子发射的限制，尤其针对高质质量或高红移事件。
• 评估观测到的中微子数据与致密双星并合中微子产生理论模型的一致性。

提出的方法

• 从GWTC-2和GWTC-3目录中选取90个引力波事件，这些事件具有良好的天区定位和已知距离。
• 在每个引力波触发事件前后1000秒的时间窗口内，对IceCube的高能中微子数据进行时间与方向一致性搜索。
• 利用GRECO天文学数据集，识别每个引力波事件天区定位和时间窗口内发生的中微子事件。
• 在无信号的零假设下，使用泊松统计方法计算每个事件的中微子通量（E²Fν+ν̄）上限。
• 综合各事件结果，推导出各类事件类型（BBH、NSBH、BNS）的中位数上限，并考虑距离和天区面积的影响。
• 对中微子能谱假设和背景抑制效果进行校正，以获得稳健的通量上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 致密双星并合是否会产生与引力波信号相关的可探测亚TeV中微子？
• RQ2 基于IceCube数据，不同类型的致密双星并合（如BBH、NSBH、BNS）的中微子通量上限是多少？
• RQ3 观测到的中微子上限与黑洞或中子星并合中微子产生的理论预测相比如何？
• RQ4 是否存在显著超出预期背景的、与引力波事件一致的中微子超额？
• RQ5 IceCube对高红移或高质质量致密双星并合的中微子发射灵敏度如何？

主要发现

• 在分析的90个引力波事件中，未发现与任何事件显著相关的中微子超额。
• 所有事件的中微子通量（E²Fν+ν̄）中位数上限为2.4 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²，单个事件的上限范围为1.18至4.88 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²。
• 对于双黑洞（BBH）事件，最严格的上限来自GW190413 134308（2.46 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²）和GW190527 092055（4.32 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²）。
• 对于中子星-黑洞（NSBH）事件，GW200115 042309的上限为2.56 × 10⁻¹⁰ GeV cm⁻²，是NSBH事件中最低的。
• 对Eiso（各向同性等效能量）的最严格上限为1.44 × 10⁵³ erg，表明此次NSBH并合的中微子发射极低。
• 该分析对致密双星并合产生的亚TeV中微子发射设定了迄今最敏感的约束，尤其针对高质质量或远距离事件。