[论文解读] High-energy neutrinos from choked-jet supernovae: Searches and implications

Po-Wen Chang, B. Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 143被引用 4

一句话总结

本研究通过10年未分箱最大似然分析μ子轨迹事例与SN Ib/c星体目录，检验阻塞喷流超新星（cjSNe）作为IceCube高能宇宙中微子的潜在来源。尽管未发现显著相关性，但对cjSNe贡献于弥散中微子通量的保守上限仍与SN Ib/c作为主要来源一致，凸显了未来多信使观测在证实或排除该情景方面的潜力。

ABSTRACT

The origin of the high-energy astrophysical neutrinos discovered by IceCube remains largely unknown. Multimessenger studies have indicated that the majority of these neutrinos come from gamma-ray-dark sources. Choked-jet supernovae (cjSNe), which are supernovae powered by relativistic jets stalled in stellar materials, may lead to neutrino emission via photohadronic interactions while the coproduced gamma rays are absorbed. In this paper, we perform an unbinned maximum-likelihood analysis to search for correlations between IceCube's ten-year muon-track events and our SN Ib/c sample, collected from publicly available catalogs. In addition to the conventional power-law models, we also consider the impacts of more realistic neutrino emission models for the first time, and we study the effects of the jet beaming factor in the analyses. Our results show no significant correlation. Even so, the conservative upper limits we set to the contribution of cjSNe to the diffuse astrophysical neutrino flux still allow SNe Ib/c to be the dominant source of astrophysical neutrinos observed by IceCube. We discuss implications to the cjSNe scenario from our results and the power of future neutrino and supernova observations.

研究动机与目标

• 确定阻塞喷流超新星（cjSNe）是否可解释IceCube探测到的弥散高能宇宙中微子通量。
• 通过利用10年IceCube μ子轨迹数据，改进对cjSNe作为中微子源的约束，超越以往1年数据的限制。
• 评估此前在数据中尚未检验的、现实的时变中微子发射模型对cjSNe可探测性的影响。
• 评估堆叠分析与单源分析对喷流束流因子及模型相关中微子产生效率的敏感性。
• 预测未来望远镜（如IceCube-Gen2和LSST）在检验cjSNe情景方面的潜力。

提出的方法

• 对IceCube 10年μ子轨迹中微子事例与公开可用的SN Ib/c星体目录进行未分箱最大似然相关分析。
• 分析中纳入了包含时变宇宙射线与介子冷却过程的现实cjSNe发射模型，反映低功率GRB类喷流中的物理条件。
• 执行了单源分析与堆叠分析，后者用于推导SN Ib/c样本中总宇宙射线能量预算（$\mathcal{E}_{\rm CR}$）与喷流分数（$f_{\rm jet}$）的上限。
• 明确建模了喷流束流因子以评估其对可探测性的影响，不同模型中微子产生效率差异达约5倍。
• 基于保守的统计处理，为每种cjSNe模型推导了所有SN Ib/c贡献的累积中微子通量上限。
• 基于IceCube-Gen2与LSST预期的改进（特别是超新星探测率与红移完备性），进行了未来灵敏度预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 阻塞喷流超新星（cjSNe）能否解释IceCube观测到的弥散高能宇宙中微子通量？
• RQ2 现实的、时变的cjSNe发射模型如何影响这些源在IceCube数据中的可探测性？
• RQ3 基于10年数据，cjSNe的宇宙射线能量预算（$\mathcal{E}_{\rm CR}$）与喷流分数（$f_{\rm jet}$）的保守上限是多少？
• RQ4 结果对不同cjSNe模型中微子产生效率的变化有多敏感？
• RQ5 IceCube-Gen2与LSST等未来望远镜在多大程度上能改善对cjSNe情景的约束？

主要发现

• 未在IceCube 10年μ子轨迹事例与SN Ib/c样本之间发现显著相关性，表明该数据集中缺乏cjSNe作为主要中微子源的强证据。
• 10年对$\mathcal{E}_{\rm CR}$与$f_{\rm jet}$的上限相比以往1年限制提高了一个数量级以上，显著增强了对cjSNe模型的约束。
• 对SN Ib/c累积中微子通量的上限保持保守，且仍与SN Ib/c是IceCube观测到的宇宙中微子的主要来源一致。
• 所考虑的cjSNe模型中，中微子产生效率差异达约5倍，表明模型相关的效率是可探测性与约束强度的关键因素。
• 预计IceCube-Gen2在运行仅2年内即可将堆叠分析的限制强度提升约5倍，显著增强对cjSNe模型的检验能力。
• 即将开展的LSST巡天预计可使核心坍缩超新星探测率提高一个数量级以上，大幅增强对低束流因子cjSNe（$f_{\rm jet} \ll 0.1$）的灵敏度，而这类源对cjSNe假说至关重要。