[论文解读] IceCube's Neutrinos: The beginning of extra-Galactic neutrino astrophysics?

Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 14

一句话总结

本文提出，冰立方（IceCube）在50 TeV至2 PeV能量区间探测到的高能中微子通量，标志着河外中微子天体物理学时代的开启，该通量与Waxman-Bahcall界限高度吻合。这一巧合表明，中微子与超高能宇宙射线（UHECRs）起源于相同的宇宙学分布源，极有可能是星暴星系等环境中质子加速器所致，其能量通过π介子产生过程损失。该关联使我们能够识别UHECR源，并以前所未有的精度探测中微子性质。

ABSTRACT

The flux, spectrum and angular distribution of the excess neutrino signal detected by IceCube between 50TeV and 2PeV are inconsistent with those expected for Galactic sources. The coincidence of the excess, $E_ν^2Φ_ν=3.6\pm1.2 imes10^{-8}(GeV/ cm^2 sr s)$, with the Waxman-Bahcall (WB) bound, $E_ν^2Φ_{WB}=3.4 imes10^{-8}(GeV/cm^2 sr s)$, is probably a clue to the origin of IceCube's neutrinos. The most natural explanation of this coincidence is that both the neutrino excess and the ultra-high energy, $>10^{19}$ eV, cosmic-ray (UHECR) flux are produced by the same population of cosmologically distributed sources, producing CRs, likely protons, at a similar rate, $E^2 dQ/dE=0.5 imes10^{44}(erg/Mpc^3yr)$ (at z=0), across a wide range of energies, from $10^{15}$ eV to $>10^{20}$ eV, and residing in environments (such as starburst galaxies) in which CRs of rigidity $E/Z< 10^{17}$ eV lose much of their energy to pion production. Identification of the neutrino sources will allow one to identify the UHECR accelerators, to resolve open questions related to the accelerator models, and to study neutrino properties (related e.g. to flavor oscillations and coupling to gravity) with an accuracy many orders of magnitude better than is currently possible. The most promising method for identifying the sources is by association of a neutrino with an electromagnetic signal accompanying a transient event responsible for its generation. The neutrino flux that is produced within the sources, and that may thus be directly associated with transient events, may be significantly lower than the total observed neutrino flux, which may be dominated by neutrino production at the environment in which the sources reside.

研究动机与目标

• 基于其能谱和方位分布，确立观测到的冰立方中微子通量为河外起源。
• 将观测到的中微子通量与Waxman-Bahcall界限的巧合解释为高能中微子与超高能宇宙射线（UHECRs）具有共同起源的证据。
• 识别产生UHECRs和高能中微子的天体物理源，特别是通过瞬变事件的关联。
• 实现对基本中微子性质的精确测试，例如味振荡、洛伦兹不变性破坏以及弱等效原理破坏。
• 探索弥漫GZK中微子探测作为检验UHECR河外质子起源的潜力。

提出的方法

• 使用Waxman-Bahcall界限 $ E_{\nu}^{2}\tilde{\nu} \to 3.4 \times 10^{-8} \, \text{GeV} \cdot \text{cm}^{-2} \cdot \text{sr}^{-1} \cdot \text{s}^{-1} $ 作为质子-质子和质子-光子相互作用产生的河外中微子通量的上限。
• 将冰立方观测到的中微子通量（$ 3.6 \pm 1.2 \times 10^{-8} \, \text{GeV} \cdot \text{cm}^{-2} \cdot \text{sr}^{-1} \cdot \text{s}^{-1} $）与Waxman-Bahcall界限进行比较，推断其与UHECRs具有共同起源。
• 假设UHECRs主要为质子，其在红移 $ z=0 $ 处的源能量产生速率为 $ 0.5 \times 10^{44} \, \text{erg} \cdot \text{Mpc}^{-3} \cdot \text{yr}^{-1} $，与宇宙射线数据一致。
• 对天体物理源及其环境中的中微子产生进行建模，区分直接在源内产生的中微子与在周围介质中相互作用产生的中微子。
• 利用时间分辨的中微子-电磁瞬变事件关联（例如与伽马射电暴的关联）识别源并检验中微子传播性质。
• 应用光子与中微子之间的时间飞行测量，以 $ \sim 1 \, \text{s} $ 的精度检验洛伦兹不变性破坏和引力时间延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的冰立方中微子通量是否与宇宙学距离的河外起源一致，而非银河系源？
• RQ2 为何观测到的中微子通量与理论Waxman-Bahcall界限如此接近？这对其高能中微子起源意味着什么？
• RQ3 能够加速UHECRs的同一类天体物理源是否也能产生观测到的高能中微子通量？
• RQ4 环境相互作用（例如在星暴星系中）在总观测中微子通量中的作用，与直接源内产生相比如何？
• RQ5 高能中微子与电磁瞬变事件的关联是否能实现对基础物理的精确测试，例如洛伦兹不变性或弱等效原理？

主要发现

• 在50 TeV至2 PeV能量区间观测到的中微子通量，$ 3.6 \pm 1.2 \times 10^{-8} \, \text{GeV} \cdot \text{cm}^{-2} \cdot \text{sr}^{-1} \cdot \text{s}^{-1} $，与银河系起源不一致，且与Waxman-Bahcall界限 $ 3.4 \times 10^{-8} \, \text{GeV} \cdot \text{cm}^{-2} \cdot \text{sr}^{-1} \cdot \text{s}^{-1} $ 高度吻合。
• 该巧合表明，UHECR通量与中微子通量均起源于相同的宇宙学分布源，其在 $ z=0 $ 处的质子产生速率为 $ 0.5 \times 10^{44} \, \text{erg} \cdot \text{Mpc}^{-3} \cdot \text{yr}^{-1} $。
• 在源环境（如星暴星系）中产生的中微子可能主导总通量，直接源内产生部分可能低至 $ 0.1 \times \Phi_{\text{WB}} $，尤其在伽马射电暴等源中更为显著。
• 若在伽马射电暴发生后数月内探测到单个高能中微子，即可确认关联，并实现 $ \sim 1 \, \text{s} $ 精度的时间飞行测量。
• 此类测量可实现对洛伦兹不变性破坏的敏感度达 $ \sim 10^{-17} $ 的速度差异分数，以及对弱等效原理破坏的 $ \sim 10^{-6} $ 分数引力延迟。
• 味比测量（例如振荡后 $ \nu_e : \nu_\mu : \nu_\tau = 1:1:1 $）有助于确定中微子混合参数与质量顺序，并探测标准模型之外的新物理。