[论文解读] Search for High-Energy Neutrinos from TDE-like Flares with IceCube

Jannis Necker|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究基于IceCube九年的数据集（2011–2020年），对29个类TDE吸积耀发事件与高能中微子进行了堆叠分析，未发现显著相关性（p值 = 0.45），与背景一致。此外，通过一种新型模拟方案，验证了三个高能中微子警报事件的重建结果，该方案准确再现了探测器中的能量沉积与电荷分布模式，从而为先前与耀发事件关联的稳健性检验提供了支持。

ABSTRACT

The collected data of IceCube, a cubic kilometre neutrino detector array in the Antarctic ice, reveal a diffuse flux of astrophysical neutrinos. The extragalactic sources of the majority of these neutrinos however have yet to be discovered. Tidal Disruption Events (TDEs), disruption outbursts from black holes that accrete at an enhanced rate, are candidates for being the sources of extragalactic, high-energy neutrinos. Stein et al. (2021) and Reusch et al. (2022) have reported the coincidence of two likely TDEs from supermassive black holes and public IceCube neutrino events (alerts). Further work by van Velzen et al. (2021) identified a third event in coincidence with a high-energy neutrino alert and a $3.7 σ$ correlation between a broader set of similar TDE-like flares and IceCube alerts. We conducted a stacking analysis with a 29-flare subset of the TDE-like flares tested by van Velzen et al. This work was done with neutrinos with energies above $\mathcal{O}(100)$ GeV. The resulting p-value of 0.45 is consistent with background. In this contribution, I will discuss the results of the stacking analysis, as well as the impact of using different reconstruction algorithms on the three correlated realtime alerts.

研究动机与目标

• 利用全面的数据集，检验高能中微警报与类TDE吸积耀发之间报告的相关性。
• 探究类TDE耀发是否可能为河外高能中微子的来源。
• 改进高能中微子事例的模拟，以实现准确重建，并对警报关联关系进行稳健性测试。
• 评估不同重建算法对三个报告的中微子-耀发偶合事件定位与显著性的影响。

提出的方法

• 使用来自更大样本中63个耀发事件的29个高显著性类TDE耀发事件（尘埃回波强度S > 10），进行无分箱最大似然堆叠分析。
• 采用IceCube九年的轨迹型μ子中微子数据集（100 GeV – 10 PeV），该数据集针对点源搜索进行了优化。
• 应用一种似然模型，其中信号和背景的概率密度函数（PDF）根据源特定的信号占比及时空能量分布进行加权。
• 引入一种新型模拟方案，通过截断能量沉积方式，匹配μ子轨迹上测量到的能量损失模式。
• 将模拟得到的电荷分布与触发DOM分布与真实数据进行比较，以验证三个关键警报事件重建的准确性。
• 利用新型模拟框架，重新评估三个报告偶合警报的似然轮廓，以检验其稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完整的IceCube数据集中，高能中微警报与类TDE吸积耀发之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 能否通过更新的模拟技术，稳健地重现高能中微警报与光学耀发之间报告的偶合事件？
• RQ3 不同重建算法如何影响三个报告的中微子-耀发偶合事件的定位与显著性？
• RQ4 为解释报告的偶合事件与全样本中未检测到的现象，类TDE耀发的源谱指数需满足何种条件？

主要发现

• 对29个高显著性类TDE耀发事件进行堆叠分析，得到p值为0.45，与背景一致，不支持存在显著相关性。
• 新型模拟方案成功再现了三个关键中微警报事件（包括IceCube-200530A和IceCube-191119A）的测量能量沉积模式与电荷分布。
• 三个警报事件的重建能量沉积与电荷分布轮廓与新模拟结果高度吻合，验证了其在后续稳健性测试中的适用性。
• 由新模拟得出的似然轮廓比与光学耀发的角距离更窄，提示原始关联关系可能存在张力。
• 为调和报告偶合事件与全样本中未检测到的现象，源谱指数必须比γ < 2更陡峭。
• 结果表明，尽管单个偶合事件在物理上是可能的，但类TDE耀发的整体群体并未产生可探测的、高于背景水平的弥漫中微子通量。