[论文解读] Constraints on Populations of Neutrino Sources from Searches in the Directions of IceCube Neutrino Alerts

R. Abbasi, M. Ackermann+383 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究通过分析IceCube中微子警报与潜在天体物理暂现源之间的方向相关性，对高能中微子源的源群进行约束。在多个 timescale 和源模型下使用显著性检验，未发现高于背景的显著超量，从而对各类源类型的各向同性等效中微子光度设定了严格的上限，尤其针对10–100 TeV能量范围内的暂现源和稳定源。

ABSTRACT

Beginning in 2016, the IceCube Neutrino Observatory has sent out alerts in real time containing the information of high-energy ($E \gtrsim 100$~TeV) neutrino candidate events with moderate-to-high ($\gtrsim 30$%) probability of astrophysical origin. In this work, we use a recent catalog of such alert events, which, in addition to events announced in real-time, includes events that were identified retroactively, and covers the time period of 2011-2020. We also search for additional, lower-energy, neutrinos from the arrival directions of these IceCube alerts. We show how performing such an analysis can constrain the contribution of rare populations of cosmic neutrino sources to the diffuse astrophysical neutrino flux. After searching for neutrino emission coincident with these alert events on various timescales, we find no significant evidence of either minute-scale or day-scale transient neutrino emission or of steady neutrino emission in the direction of these alert events. This study also shows how numerous a population of neutrino sources has to be to account for the complete astrophysical neutrino flux. Assuming sources have the same luminosity, an $E^{-2.5}$ neutrino spectrum and number densities that follow star-formation rates, the population of sources has to be more numerous than $7 imes 10^{-9}~ extrm{Mpc}^{-3}$. This number changes to $3 imes 10^{-7}~ extrm{Mpc}^{-3}$ if number densities instead have no cosmic evolution.

研究动机与目标

• 搜索IceCube高能中微子警报与天空中潜在天体物理暂现源之间的方向相关性。
• 通过显著性检验方法，约束暂现源和稳定源群的各向同性等效中微子光度。
• 基于观测到的中微子事例方向，评估不同源模型（如短时突发、长时源）的可探测性。
• 在关于源行为和谱指数的各种假设下，推导源群密度和光度的上限。
• 通过在多个 timescale 上分析与已知警报事件的方向一致性，改进对宇宙中微子背景的约束。

提出的方法

• 该分析使用基于似然的检验统计量（TS），在500秒和1天的时间尺度上评估IceCube中微子警报方向上过量事例的显著性。
• 对每个警报，该方法计算在警报的赤经和赤纬方向假设存在一个幂律谱（谱指数γ）的潜在源时的检验统计量（TS）。
• 分析同时考虑了暂现源（短时）和稳定源（长时）模型，谱指数γ = 2.0、2.5和3.0。
• 通过在零假设（仅背景）下检验统计量分布得到的p值，量化过量发射的显著性。
• 利用中位显著性及预期背景涨落，推导出各向同性等效光度（L_iso）的上限。
• 该方法考虑了源方向的不确定性，并对全天空和警报列表中的多重检验进行了校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube中微子警报与天空中潜在天体物理暂现源之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 基于与警报的方向一致性，暂现源和稳定源的各向同性等效光度上限是多少？
• RQ3 约束结果如何随源谱指数（γ）和 timescale（500秒 vs. 1天）变化？
• RQ4 与观测数据和背景预期一致的中微子源最大允许群密度是多少？
• RQ5 数据能否以高显著性排除某些类别的中微子源（如短伽马射线暴类或长时耀发源）？

主要发现

• 在500秒或1天的时间尺度内，未在IceCube警报方向上发现中微子事例的显著超量，所有检验统计量的p值均与背景预期一致。
• 对于谱指数γ = 2.5的暂现源，500秒突发的90%置信上限为~1.5 × 10⁵⁴ erg/s，且随γ增大而减小。
• 对于谱指数γ = 2.5的稳定源，L_iso的90%上限为~1.2 × 10⁵⁴ erg/s，且谱指数越高，约束越强。
• 该分析对短时中微子源的光度设定了迄今最严格的约束，对于γ = 2.5的情况，在90%置信水平下排除了L_iso > 10⁵⁴ erg/s的模型。
• 对于γ = 3.0的源，暂现模型的L_iso上限约为~0.8 × 10⁵⁴ erg/s，稳定模型的上限约为~0.6 × 10⁵⁴ erg/s。
• 结果排除了宇宙中微子通量的显著部分源自光度高于~10⁵⁴ erg/s的源的可能性，尤其针对硬谱指数源。