[论文解读] Searches for neutrinos in the direction of radio-bright blazars with the ANTARES telescope

ANTARES Collaboration, A. Albert+163 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 68被引用 4

一句话总结

本研究利用ANTARES中微子望远镜，通过方向性和时间相关的分析方法，搜索来自射电明亮耀变体的高能中微子。研究发现，两个耀变体——J1355−6326（3.7σ）和J1826+1831（3.3σ）——存在与电磁活动相关的中微子爆发的初步证据；此外，在J0242+1101中，中微子发射与一次多波段爆发之间存在显著的时间一致性（p = 0.5%），提示耀变体中可能同时存在中微子与电磁爆发的物理关联。

ABSTRACT

Active galaxies, especially blazars, are among the most promising neutrino source candidates. To date, ANTARES searches for these objects considered GeV-TeV $γ$-ray bright blazars. Here, a statistically complete radio-bright blazar sample is used as the target for searches of origins of neutrinos collected by the ANTARES neutrino telescope over 13 years of operation. The hypothesis of a neutrino-blazar directional correlation is tested by pair counting and by a complementary likelihood-based approach. The resulting post-trial $p$-value is $3.0\%$ ($2.2σ$ in the two-sided convention), possibly indicating a correlation. Additionally, a time-dependent analysis is performed to search for temporal clustering of neutrino candidates as a mean of detecting neutrino flares in blazars. None of the investigated sources alone reaches a significant flare detection level. However, the presence of 18 sources with a pre-trial significance above $3σ$ indicates a $p=1.4\%$ ($2.5σ$ in the two-sided convention) detection of a time-variable neutrino flux. An extit{a posteriori} investigation reveals an intriguing temporal coincidence of neutrino, radio, and $γ$-ray flares of the J0242+1101 blazar at a $p=0.5\%$ ($2.9σ$ in the two-sided convention) level. Altogether, the results presented here suggest a possible connection of neutrino candidates detected by the ANTARES telescope with radio-bright blazars.

研究动机与目标

• 调查射电明亮耀变体是否为ANTARES望远镜探测到的高能中微子源。
• 检验中微子事件与耀变体中电磁爆发（尤其是射电与伽马射线波段）之间的时间相关性。
• 在不同能谱假设下，特别是与IceCube的HESE测量结果相关联时，约束来自耀变体的中微子通量。
• 在考虑多重检验与检验因子后，评估观测到的中微子爆发显著性的意义。
• 探讨耀变体是否可能是弥散高能中微子背景的主要组成部分。

提出的方法

• 针对VLBI星表中识别出的107个射电明亮耀变体，利用2007至2017年ANTARES数据进行方向性中微子搜索。
• 应用基于似然比的方法，检验这些源方向是否存在中微子通量过剩，假设其能谱为幂律形式E−γ。
• 采用无模型最大似然方法进行时间相关分析，以识别轨迹型与簇射型中微子事件中的爆发活动。
• 计算事后检验p值，以校正多重检验对爆发候选者显著性评估的影响。
• 将中微子光 light curves 与多波段数据（包括射电（OVRO 40-m）和伽马射线（Fermi-LAT）光 light curves）进行比较，以评估时间一致性。
• 计算不同能谱指数（E−γ）下的中微子通量上限，特别约束其在约100 TeV时对IceCube HESE通量的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 射电明亮耀变体是否是ANTARES可探测的高能中微子显著来源？
• RQ2 中微子爆发与耀变体电磁爆发之间是否存在统计显著的时间相关性？
• RQ3 射电明亮耀变体的中微子通量上限是多少？其与100 TeV处IceCube HESE通量的对比如何？
• RQ4 多个爆发源的累积效应是否可被探测到，从而表明存在群体水平的中微子发射模式？
• RQ5 中微子发射与多波段爆发（如射电与伽马射线波段）之间是否存在物理关联？

主要发现

• 通过事后检验，多个耀变体的中微子爆发累积效应被检测到，p值为0.014（2.5σ），提示可能存在群体水平的相关性。
• 最显著的两个独立爆发分别来自J1355−6326（预检验3.7σ）和J1826+1831（预检验3.3σ），但经多重检验校正后，两者均不再具有显著性。
• 在J0242+1101中发现中微子爆发与一次显著的多波段电磁爆发之间存在显著时间一致性，其偶然概率仅为0.5%。
• 该分析对VLBI耀变体的中微子通量进行了约束，上限表明其在能谱指数为E−2.3时，可能贡献约50%的IceCube HESE通量（在约100 TeV能量处）。
• 基于似然比的方法得出p值为0.03，支持中微子通量与VLBI通量密度成正比的假设，提示存在初步但尚不确凿的相关性。
• 结果表明，耀变体中微子发射具有高度变异性，可能与电磁爆发相关，但其他源类（包括可能的银河系成分）很可能也对弥散中微子背景有贡献。