[论文解读] Multi-energy diffuse neutrino fluxes originating from core-collapse supernovae

Yosuke Ashida|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一套统一框架，用于建模核心坍缩超新星（CCSNe）在多能量区间的漫射中微子通量，结合了核心坍缩产生的热MeV中微子与喷出物-周围介质相互作用产生的非热高能中微子。通过利用Salpeter初始质量函数将超新星类型与原恒星质量关联，并结合宇宙学模拟，结果预测漫射高能中微子通量可能占IceCube观测到的宇宙学中微子通量的约10%，而漫射超新星中微子背景（DSNB）则接近当前Super-Kamiokande的上限。

ABSTRACT

Diffuse neutrino fluxes attributed to two different physical processes in core collapse of massive stars are visited with their potentiality of exploring stellar physics more deeply being stressed. In this work, available models of thermal MeV-scale neutrinos produced at the core of collapsing stars and non-thermal high-energy neutrinos emitted from accelerated cosmic rays interacting with circumstellar material are bridged through features of core-collapse supernovae such as progenitor mass and optical properties. The calculated diffuse fluxes are presented with discussion about their detection prospects at neutrino telescopes.

研究动机与目标

• 开发一个综合框架，将核心坍缩产生的热MeV中微子与喷出物-周围介质相互作用产生的非热高能中微子在CCSNe中统一关联。
• 通过统一的物理模型弥合低能漫射超新星中微子背景（DSNB）与高能宇宙学中微子通量之间的鸿沟。
• 基于观测分类与原恒星质量函数，量化不同超新星类型对漫射中微子通量的贡献。
• 评估下一代中微子望远镜（如Hyper-Kamiokande、JUNO、IceCube-Gen2和KM3NeT）对这些通量的探测前景。

提出的方法

• 基于光学光曲线与光谱特征，采用常规超新星分类（II-L型、II-P型、IIn型、IIb/Ibc型），以分配原恒星质量范围。
• 利用Salpeter初始质量函数（IMF）将超新星类型与原恒星质量关联，适用于8.5–150 M☉的恒星，以23.1 M☉为临界值。
• 基于核心坍缩物理与中微子发射机制，分别针对15 M☉与40 M☉的原恒星建模热中微子通量，分别对应较轻与较重的超新星。
• 通过周围介质中的pp相互作用建模非热高能中微子通量，每种超新星类型具有独立的喷出物与CSM分布。
• 将两种中微子通量组分与Illustris-1宇宙学模拟中的CCSNe发生率及Chabrier IMF卷积，以计算地球处的漫射通量。
• 应用宇宙学常数与红移演化，将通量传播至当前宇宙时代，以便与观测限制和探测结果进行比较。

Figure 1: Calculated DSNB $\bar{\nu}_{e}$ flux in comparison with experimental upper limits from Super-Kamiokande [ 43 , 44 ] and KamLAND [ 45 ] . Contributions from the CNS and HNS cases with $f_{\rm HNS}=0.24$ , and their sum are shown. The bands cover different choices of the nuclear EOS (LS220,

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单一框架内一致地关联核心坍缩产生的热MeV中微子与喷出物-周围介质相互作用产生的非热高能中微子，以实现漫射通量计算？
• RQ2 不同超新星类型（II-L、II-P、IIn、IIb/Ibc）在MeV与GeV–TeV能量区间对总漫射中微子通量的贡献如何？
• RQ3 IceCube观测到的高能宇宙学中微子通量在多大程度上可由CCSNe起源的非热中微子解释？
• RQ4 黑洞形成比例与原恒星质量函数的不确定性如何影响预测的漫射中微子通量？
• RQ5 Hyper-Kamiokande与IceCube-Gen2等未来中微子望远镜对这些漫射通量的可探测前景如何？

主要发现

• 计算得到的反电子中微子漫射超新星中微子背景（DSNB）与当前Super-Kamiokande的上限一致，误差在数量级以内。
• CCSNe产生的漫射高能中微子通量可能占IceCube观测到的宇宙学中微子通量的约10%。
• 当包含非零的黑洞形成比例时，DSNB通量在较高能量（Eν ≳ 30 MeV）增强，这是由于失败超新星对低能贡献的减少所致。
• 通量对系统性因素（如黑洞形成比例与原恒星质量函数）高度敏感，这些因素可使通量水平变化达数量级。
• 该模型预测了从MeV到TeV能量范围的非平凡能量依赖通量分布，为CCSNe物理提供了多信使约束条件。
• 未来探测器如JUNO与Hyper-Kamiokande有望提升对DSNB的探测灵敏度，而IceCube-Gen2与KM3NeT将增强对高能CCSNe中微子贡献的探测潜力。

Figure 2: Calculated diffuse high-energy SN neutrino flux ( $\nu_{e}+\bar{\nu}_{e}+\nu_{\mu}+\bar{\nu}_{\mu}+\nu_{\tau}+\bar{\nu}_{\tau}$ ) in comparison with the measured diffuse astrophysical neutrino flux in a recent IceCube analysis using starting track events (ESTES) [ 85 ] . Contributions from