[论文解读] Searching for TeV gamma-ray emission associated with IceCube high-energy neutrinos using VERITAS

M. Santander|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 6

一句话总结

本研究利用VERITAS成像空气契伦科夫望远镜阵列，搜索冰立方（IceCube）探测到的高能μ子中微子事例在TeV能量段的伽马射线对应源。尽管对17个中微子方向进行了超过50小时的观测，未发现显著的伽马射线超额，因此对通量设定了99%置信度的严格上限，范围为蟹状星云通量的1%至11%。

ABSTRACT

A clue to finding the long-sought sources of cosmic rays is the recent observation of an astrophysical flux of high-energy neutrinos by the IceCube detector, since these possibly originate in hadronic interactions at cosmic-ray accelerators. While the neutrino sky map shows no significant indication of point sources so far, it is possible to utilize the sensitivity of Imaging Air Cherenkov Telescope (IACT) arrays, such as VERITAS, to search for hadronic gamma-ray emission from the neutrino directions. Over the last 2 years, the positions of neutrino events detected by IceCube have been observed using the VERITAS array. Observations have been limited to muon neutrino events, since their typical angular reconstruction uncertainty is below 1 degree, smaller than the 3.5-degree diameter of the VERITAS field of view. The location of VERITAS further constrains the neutrino event positions that can be observed to those located in the northern sky, or at moderate southern declinations. The list of observed positions was selected from published results and a set of high-energy muon tracks provided by IceCube. We present the current status and some preliminary results from this program.

研究动机与目标

• 利用VERITAS对甚高能（VHE）伽马射线的敏感性，搜索冰立方探测到的高能μ子中微子事例对应的强子性伽马射线发射。
• 检验宇宙中微子起源于强子相互作用并同时产生VHE伽马射线的假设。
• 通过设定相关伽马射线发射的上限，约束可能贡献于弥散中微子通量的河外源的数量和光度。
• 探索尽管存在宇宙背景光（EBL）对高能光子的吸收，利用中微子-伽马射线相关性开展多信使天文学的可行性。
• 通过结合VERITAS观测与未来实时中微子警报，提升对瞬变或遥远源的探测灵敏度。

提出的方法

• 针对冰立方探测的17个高能μ子中微子事例进行定向观测——这些事例因角分辨率高（<1°）且天区位置有利而被选中——使用VERITAS阵列。
• 总观测时间为50小时，覆盖17个事例，每个事例的曝光时间在15至574分钟之间不等。
• 采用99%置信度（CL）的预试验上限计算方法，对100 GeV以上的积分通量进行计算，同时考虑多个目标带来的统计试验次数。
• 将上限与蟹状星云通量进行比较，以相对单位表达灵敏度（例如，蟹状星云通量的1.1%至10.9%）。
• 使用显著性图和高斯拟合评估潜在点源信号，经试验校正后无任何超额超过2σ。
• 基于外推的中微子通量（Γ=2.3），假设1:1的伽马射线转换效率，并采用Franceschini等人模型计算EBL吸收，预测源群体的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用VERITAS在冰立方高能μ子中微子事例方向探测到TeV能量段的伽马射线发射？
• RQ2 这些中微子事例相关的VHE伽马射线通量的上限是多少？这些上限如何约束潜在源的数量和光度？
• RQ3 EBL吸收如何影响遥远中微子源的强子性伽马射线发射的可探测性？低能段的伽马射线是否仍可被观测到？
• RQ4 VERITAS观测能否对弥散中微子通量起源（尤其是河外源）设定有意义的约束？
• RQ5 与费米-LAT在GeV能量段的数据相比，结果如何？伽马射线与中微子之间缺乏相关性对多信使模型有何启示？

主要发现

• 在17个观测的中微子方向中均未检测到显著的伽马射线超额，最显著的局部超额（C37）经试验校正后仍不足2σ。
• 对全部17个事例，均推导出100 GeV以上积分通量的99%置信度上限，范围为3.92×10⁻¹²至2.12×10⁻¹¹ cm⁻² s⁻¹。
• 这些上限相当于蟹状星云通量的1.1%至10.9%，其中C19事例（观测210分钟）达到最紧约束（1.1%）。
• 分析表明，若发射稳定，VERITAS在50小时内可探测到贡献为蟹状星云通量1%至2%水平的源。
• 零结果表明，若源是弥散中微子通量的来源，则其必须极为遥远（z > 0.1）、数量众多，或仅在较低能量波段发射伽马射线。
• 未来工作将扩展观测至未观测的μ子中微子事例，并整合IceCube的实时警报，以提升对瞬变源的探测灵敏度。