[论文解读] High-energy emitting BL Lacs and high-energy neutrinos - Prospects for the direct association with IceCube and KM3NeT

Chiara Righi, F. Tavecchio+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用 12

一句话总结

本文提出，高能辐射的BL Lacs（HBL）是高能中微子的主要来源，基于轻子喷流模型，通过光致产Meson反应将伽马射线与中微子流量联系起来。该研究预测，KM3NeT将在几年内从多个HBL源检测到每年超过1个中微子，从而实现直接识别；而IceCube由于灵敏度较低，仅能探测到最明亮的源，凸显了未来中微子望远镜提升角分辨率的关键作用。

ABSTRACT

The origin of the high-energy flux of neutrinos detected by IceCube is still unknown. Recent works report the evidence for a possible positional correlation between the reconstructed neutrino arrival directions and the positions in the sky of low power, high-energy emitting BL Lac objects (HBL). Assuming that $γ$-ray emitting HBL form the bulk of the sources of high-energy neutrinos above 100 TeV, we intend to calculate the number of events expected to be detected for each source by IceCube and KM3NeT. Based on a simple theoretically-motivated framework inspired by the structured jet scenario for these sources, we postulate a direct proportionality between high-energy $γ$-ray and neutrino fluxes. We calculate the expected neutrino event rate for the HBL sources of the Second Fermi-LAT Catalog of High-Energy Sources (2FHL) for IceCube and the presently under construction KM3NeT using declination-dependent and exposure-weighted effective areas. We provide a list of 2FHL HBL with the calculated number of events. For IceCube, the derived count rate for several sources is relatively high, of the order of $\lesssim$1 yr$^{-1}$, consistently with the recent findings of a possible positional correlation. For KM3NeT the calculated rates are higher, with several sources with expected rate exceeding 1 yr$^{-1}$. This, coupled with the improved angular resolution, implies that the HBL origin can be effectively tested with few years of observation of KM3NeT (and IceCube Gen2, for which similar performances are foreseen) through the direct association of neutrinos and single HBL. Our results show that if -- as hinted by recent works -- HBL represent a possible population of high-energy neutrino emitters, several single sources should be identified in few years of exposure of KM3NeT, highlighting the importance of the improved angular resolution anticipated for KM3NeT and IceCube Gen2.

研究动机与目标

• 探究高能辐射的BL Lacs（HBL）是否可作为IceCube探测到的高能中微子的主导来源。
• 评估利用IceCube和即将建成的KM3NeT天文台探测HBL源中微子通量的可探测性。
• 评估基于预期事件率，能否实现单个HBL源与中微子事例之间的直接关联。
• 探讨KM3NeT和IceCube Gen2提升角分辨率对识别高能中微子天体起源的潜在影响。
• 检验假设：HBL中伽马射线与中微子通量之间存在线性相关性，可解释观测到的各向同性中微子通量。

提出的方法

• 基于包含质子诱导光致产Meson反应的结构化喷流模型，假设HBL中高能伽马射线与中微子通量之间存在直接正比关系。
• 应用IceCube和KM3NeT的有效面积，按赤纬和曝光时间加权，计算每个源的预期中微子事例率。
• 使用2FHL高能伽马射线源目录识别HBL候选源，并计算其一年内的预测中微子计数。
• 同时考虑KM3NeT中低于地平线和高达10°高于地平线的穿行μ子轨迹，发现事例率差异微小（约1.2倍）。
• 通过将平均通量乘以因子α ≈ 10来考虑爆发事件，模拟短时（1–2周）爆发期间的增强可探测性。
• 依赖于假设：强子过程产生中微子，而再处理的电磁级联过程抑制了MeV–GeV能段的可探测高能伽马射线发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能辐射的BL Lacs能否解释IceCube探测到的高能中微子通量？
• RQ2 在各自的曝光量和角分辨率下，IceCube和KM3NeT对每个HBL源的预期中微子事例率是多少？
• RQ3 KM3NeT或IceCube Gen2在运行数年内能否实现单个HBL源与中微子事例之间的直接关联？
• RQ4 HBL中的瞬时爆发如何影响相关中微子的可探测性？此类巧合能否提供强子辐射的明确证据？
• RQ5 观测中缺乏明亮的MeV–GeV伽马射线成分在多大程度上支持所提出的、具有再处理发射的轻子喷流模型？

主要发现

• 对于IceCube，2FHL目录中最亮的几个HBL源预计每年产生约1个中微子，与近期位置相关性研究结果一致。
• 对于KM3NeT，预测的事例率显著更高，预计有20个HBL源每年产生超过0.3个中微子，可实现稳健的源识别。
• 最亮的HBL源——Mkn 421、PKS 2155–304和Mkn 501——预计具有足够高的事例率，可在数年观测内实现中微子-源的明确关联。
• 在典型的10倍爆发期间，平均年事例率约为1个中微子的HBL源可能产生一个或多个可探测中微子，提供明确的强子活动信号。
• KM3NeT（亚度级，<0.2°）和IceCube Gen2的角分辨率提升，将使中微子事例与单个HBL源的直接关联成为可能，从而增强源识别能力和非均匀性研究。
• NuSTAR观测中未检测到明亮的MeV–GeV伽马射线成分，支持了π介子衰变再处理发射微弱的模型，有利于所提出的抑制高能伽马射线输出的轻子喷流情景。