[论文解读] TeV-PeV neutrinos over the atmospheric background: originating from two groups of sources?

Hao-Ning He, Ruizhi Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，冰立方（IceCube）探测到的TeV-PeV能段中微子源自两类不同的天体物理源：一类是谱指数较平、在约250 TeV处有截断的谱，可能来自星暴星系中的质子-质子（pp）碰撞；另一类是在约1 PeV处的尖锐峰，可能来自活动星系核（AGN）中的光致衰变（pγ）过程。在250 TeV至1 PeV之间未探测到中微子，这一结果在约2σ显著性水平上排除了单一幂律谱模型，表明双组分模型更符合当前数据。

ABSTRACT

In addition to the two ~1 PeV neutrinos, the IceCube Collaboration recently reported a detection of 26 neutrino candidates at energies from 30 TeV to 250 TeV, implying a confidence level of 4.3σover the atmospheric background. We suggest that these TeV-PeV non-atmospheric neutrinos may originate from two groups of sources, motivated by the non-detection of neutrinos in the energy range 250 TeV- 1 PeV in current data. If intrinsic, the non-detection of 250 TeV-1 PeV neutrinos disfavors the single power-law spectrum model for the TeV-PeV non-atmospheric neutrinos at a confidence level of ~ 2σ. We then interpret the current neutrino data with a two-component spectrum model. One has a flat spectrum with a cutoff at the energy ~ 250 TeV and the other has a sharp peak at ~1 PeV. The former is likely via pp collision while the latter may be generated by the photomeson interaction.

研究动机与目标

• 研究冰立方数据中观测到的TeV-PeV非大气中微子过剩是否可由单一幂律谱解释。
• 评估在250 TeV至1 PeV能量范围内未探测到中微子的统计显著性。
• 探讨中微子谱可能由两个具有不同谱形和起源的组分构成的可能性。
• 基于谱特征和物理机制，识别每个组分的合理天体物理来源。

提出的方法

• 作者分析了冰立方662天高能事例内迹搜索数据，重点关注30 TeV至250 TeV之间的26个事例以及两个1 PeV事例。
• 将观测到的事例分布与大气背景预期（10.6 ± 3.9个事例）进行比较，以评估显著性（4.3σ过剩）。
• 对数据拟合单一幂律谱模型，得到谱指数Γ ≈ 2.2，该模型预测在250 TeV至1 PeV范围内约有9个事例。
• 在250 TeV至1 PeV能段未观测到事例，导致在约2σ置信水平上排除单一幂律谱模型。
• 提出双组分模型：一组为谱指数较平、在约150 TeV处有指数截断（来自pp碰撞），另一组为在约1 PeV处有尖锐峰（来自pγ相互作用）。
• 将该模型与观测通量进行对比：1 PeV组分与Kalashev等人（2013）的模型一致，即活动星系核中加速的质子与星系际背景光（EBL）光子发生pγ相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的TeV-PeV中微子过剩是否与单一幂律谱一致？数据是否暗示谱结构的存在？
• RQ2 在当前冰立方数据中，250 TeV至1 PeV之间未探测到中微子的统计显著性如何？
• RQ3 观测到的中微子通量和谱形是否可由两个具有不同辐射机制的独立天体物理源解释？
• RQ4 pp碰撞或pγ相互作用，哪种物理过程最能解释观测谱的两个组分？

主要发现

• 在约2σ置信水平下，250 TeV至1 PeV能段未探测到中微子，表明TeV-PeV中微子的单一幂律谱模型不成立。
• 数据更符合双组分模型：一组为谱指数较平、在约150 TeV处有截断，另一组为在约1 PeV处有尖锐峰。
• 亚PeV组分（在约150 TeV处截断）与星暴星系中高II型超新星爆发率和致密气体环境下的pp碰撞产生的中微子一致。
• PeV中微子过剩（在约1 PeV处有峰值）最可能由活动星系核中的光致衰变过程（pγ过程）解释，即质子与星系际背景光（EBL）光子相互作用，如Kalashev等人（2013）所建模。
• AGN中pγ过程模型预测的通量（1 PeV处为0.5–2 × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹）与观测到的1–2 PeV能量范围内的通量（(3.28 ± 2.28) × 10⁻⁸ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹）一致。
• 作者警告称，当前证据基于约18个非大气中微子事例的小样本，未来冰立方数据对于确认或排除双组分假设至关重要。