[论文解读] Search for 10--1000 GeV neutrinos from Gamma Ray Bursts with IceCube

IceCube Collaboration, Rasha Abbasi+407 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 25被引用 1

一句话总结

本研究利用八年IceCube数据（2012年4月至2018年10月），对2,268个伽马射线暴（GRBs）搜索10–1000 GeV中微子，采用两种统计方法检验相关性。未发现显著的中微子发射；最显著的伽马射线暴（Fermi-GBM bn 140807500）的事后检验p值为0.097，联合GRB分析的p值为0.65，表明在此能量范围内无GRB相关中微子的证据。

ABSTRACT

We present the results of a search for 10--1,000 GeV neutrinos from 2,268 gamma-ray bursts over 8 years of IceCube-DeepCore data. This work probes burst physics below the photosphere where electromagnetic radiation cannot escape. Neutrinos of tens of GeVs are predicted in sub-photospheric collision of free streaming neutrons with bulk-jet protons. In a first analysis, we searched for the most significant neutrino-GRB coincidence using six overlapping time windows centered on the prompt phase of each GRB. In a second analysis, we conducted a search for a group of GRBs, each individually too weak to be detectable, but potentially significant when combined. No evidence of neutrino emission is found for either analysis. The most significant neutrino coincidence is for Fermi-GBM GRB bn 140807500, with a p-value of 0.097 corrected for all trials. The binomial test used to search for a group of GRBs had a p-value of 0.65 after all trial corrections. The binomial test found a group consisting only of GRB bn 140807500 and no additional GRBs. The neutrino limits of this work complement those obtained by IceCube at TeV to PeV energies. We compare our findings for the large set of GRBs as well as GRB 221009A to the sub-photospheric neutron-proton collision model and find that GRB 221009A provides the most constraining limit on baryon loading. For a jet Lorentz factor of 300 (800), the baryon loading on GRB 221009A is lower than 3.85 (2.13) at a 90% confidence level.

研究动机与目标

• 检验Fermi-GBM及其他观测台站探测到的高能中微子（10–1000 GeV）与伽马射线暴（GRBs）之间的相关性。
• 评估IceCube-DeepCore在10–1000 GeV能量范围内对GRB中微子发射的探测灵敏度。
• 基于中微子未被探测到的结果，利用非探测结果对GRB 221009A的喷流重子负载量进行约束。
• 评估两种不同统计方法的性能：单个暴的显著性检验与整体群体显著性检验。
• 探讨亚光球层中微子发射模型对GRB 221009A及整个GRB样本的启示。

提出的方法

• 使用八年IceCube数据（2012年4月至2018年10月），包括DeepCore和完整IceCube阵列重建的事件。
• 应用两种统计分析方法：(1) 识别最显著的单个GRB-中微子相关性，(2) 对可能整体显著的一组GRBs进行集体检验。
• 在两种方法中均使用事后检验p值，以校正多重检验问题，确保对假阳性结果的鲁棒性。
• 将观测到的中微子事件率与亚光球层模型的预测进行比较，特别是针对GRB 221009A，使用理论中微子通量模板。
• 利用现有对GRB 221009A中微子发射的上限，基于亚光球层模型约束喷流的重子负载量。
• 对GRB 221009A的亚光球层模型预测与2,264个具有脉冲伽马射线通量测量的其他GRBs的联合信号进行统计比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IceCube数据集中，10–1000 GeV中微子与单个GRB之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 当作为整体分析时，2,268个GRBs是否表现出中微子发射的证据，即使单个暴均不显著？
• RQ3 亚光球层模型预测GRB 221009A的中微子通量与其余GRB样本的联合通量相比如何？
• RQ4 基于中微子未被探测到的结果，可对GRB 221009A喷流的重子负载量施加何种约束？
• RQ5 IceCube-DeepCore对10–1000 GeV中微子的探测灵敏度与其它能量范围相比如何？IceCube-Upgrade将带来哪些改进？

主要发现

• 未发现10–1000 GeV中微子与任何单个GRB之间存在显著相关性；最显著事件（Fermi-GBM bn 140807500）的事后检验p值为0.097。
• 对全部2,268个GRBs的集体分析得到p值为0.65，表明无群体信号的证据。
• 亚光球层模型预测GRB 221009A在IceCube-DeepCore中产生的中微子信号强度超过其余2,264个GRBs联合信号的六倍以上。
• 对于GRB 221009A，90%置信水平下重子负载量上限为：在喷流洛伦兹因子为300时为3.85，在洛伦兹因子为800时为2.13。
• GRB 221009A中微子未被探测到，对喷流重子负载量形成约束，支持低重子污染的模型。
• 结果表明IceCube-DeepCore对明亮GRBs的亚100 GeV中微子信号具有灵敏度，未来升级预计将进一步提升该能量范围的角分辨率和探测灵敏度。