[论文解读] Multiwavelength study of the region around the ANTARES neutrino excess

F. Schüßler, P. Brun+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 3

一句话总结

本研究利用从射电波段到甚高能（VHE）伽马射线的多波段数据，调查了ANTARES中右 Ascension = 313.5°，赤纬 = -65.0°处的中微子过量。尽管经试验校正后的p值为2.6%（2.2σ），但在Fermi-LAT、H.E.S.S.或档案数据中未发现显著对应源，因此设定了伽马射线通量的上限以及潜在源的下限距离。

ABSTRACT

The ANTARES collaboration reported the results of a search for point-like neutrino sources using data taken in the period 2007-2010. An unbinned maximum likelihood based all-sky search yielded a cluster of 9 (5) events within a cone of 3 (1) degrees around (R.A., Dec) = (-46.5deg, -65.0deg). The trial factor corrected p-value of 2.6% (2.2 sigma) is not significant enough to claim the observation of an astrophysical point source. However, it currently constitutes the most significant localized neutrino excess observed by ANTARES. Here we present a multi-wavelength analysis including optical to X-ray archival data and a dedicated analysis of gamma-ray data from Fermi-LAT. In order to cover the TeV domain, dedicated observations with the H.E.S.S. telescope array were carried out. We present these data and discuss implications of the results in terms of signatures for a cosmic-ray acceleration site.

研究动机与目标

• 识别ANTARES中微子过量的多信使对应源，该过量在右 Ascension = 313.5°，赤纬 = -65.0°处表现出2.2σ的过量。
• 检验中微子过量是否可能源自宇宙射线加速器，通过在整个电磁波谱中搜索相关高能伽马射线辐射。
• 基于VHE观测中未检测到信号，利用宇宙背景光（EBL）对伽马射线的吸收效应，推导出潜在源的距离下限。
• 利用H.E.S.S.数据推导出VHE伽马射线通量的上限，假设中微子具有强子起源。

提出的方法

• 使用813天的ANTARES数据（2007–2010年）进行无源最大似然全天空点源搜索，得到在3°范围内有9个事例簇，1°范围内有5个事例。
• 分析了从射电波段到X射线波段的档案多波段数据，包括2FGL Fermi-LAT星表，以在过量区域附近搜索潜在对应源。
• 针对Fermi-LAT进行了为期4年的专项分析，以搜索与中微子过量相关的伽马射线辐射，使用Li & Ma显著性图谱。
• 在45°天顶角下进行了专门的H.E.S.S.观测，以探测VHE伽马射线波段（阈值约800 GeV），并应用Feldman & Cousins区间估计法获得99%置信水平的上限。
• 使用缩放后的EBL模型计算EBL吸收光学深度 τ(Eγ, z)，通过将预测的伽马射线通量与H.E.S.S.上限匹配，推导出源红移和距离的下限。
• 在强子相互作用模型下，将ANTARES中微子通量（Φν ≈ 5.5×10⁻¹¹ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹）转换为预期的伽马射线通量（1 TeV能量下Φγ ≈ 1.4×10⁻¹⁰ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射电、光学、X射线或伽马射线波段中，ANTARES中微子过量是否存在多波段对应源？
• RQ2 观测到的中微子过量是否与已知天体物理源（如PKS 2047-655或AC 103）相关？
• RQ3 该区域的VHE伽马射线通量上限是多少？与强子相互作用预期的通量相比如何？
• RQ4 基于伽马射线被宇宙背景光吸收的效应，可推导出源距离的下限是多少？
• RQ5 在多信使约束条件下，中微子过量是否更可能由背景涨落解释？

主要发现

• 在ANTARES过量区域2°范围内，Fermi-LAT数据中未检测到显著的伽马射线对应源，1°半径区域内仅多出4个事例（显著性1.2σ）。
• H.E.S.S.观测给出了VHE伽马射线通量的99%置信水平上限，能量阈值约为800 GeV，上限以图4中的黑色箭头表示。
• ANTARES中微子过量的预测强子伽马射线通量（1 TeV能量下Φγ ≈ 1.4×10⁻¹⁰ TeV⁻¹cm⁻²s⁻¹）超过了H.E.S.S.上限，除非源非常遥远，否则存在不一致。
• 通过求解 τ(Ei, zlim) = −ln(ΦUL,i / Φγ) 推导出源红移的下限，图6中显示了99%置信水平的距离下限，表明源必须至少在数百Mpc以外，才能避免可检测的伽马射线吸收。
• 在所有波段均未检测到可探测的伽马射线信号，且通量不一致，表明中微子过量更可能为背景涨落而非真实天体物理源。
• ANTARES中微子过量尚未被多信使数据解释，尽管经过广泛的多波段审视，该区域仍未发现宇宙射线加速器的证据。