[论文解读] The origin of IceCube's neutrinos: Cosmic ray accelerators embedded in star forming calorimeters

Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文提出，冰立方的高能中微子起源于在星形成、能量吸收型星系中加速的超高能宇宙射线（UHECRs）——这些环境中的质子通过产生π介子损失大部分能量。该模型通过质子主导的、具有平坦能谱的UHECR源群体解释了观测到的中微子通量和能谱，符合Waxman-Bahcall界限，并预测需要将探测器质量在100 TeV以上提高十倍，才能识别附近的星暴星系并关联中微子与瞬变事件。

ABSTRACT

The IceCube collaboration reports a detection of extra-terrestrial neutrinos. The isotropy and flavor content of the signal, and the coincidence, within current uncertainties, of the 50 TeV to 2 PeV flux and the spectrum with the Waxman-Bahcall bound, suggest a cosmological origin of the neutrinos, related to the sources of ultra-high energy, $>10^{10}$ GeV, cosmic-rays (UHECR). The most natural explanation of the UHECR and neutrino signals is that both are produced by the same population of cosmological sources, producing CRs (likely protons) at a similar rate, $E^2d\dot{n}/dE\propto E^{0}$, over the [$1$ PeV,$10^{11}$ GeV] energy range, and residing in "calorimetric" environments, like galaxies with high star formation rate, in which $E/Z<100$ PeV CRs lose much of their energy to pion production. A tenfold increase in the effective mass of the detector at $\gtrsim100$ TeV is required in order to significantly improve the accuracy of current measurements, to enable the detection of a few bright nearby starburst "calorimeters", and to open the possibility of identifying the CR sources embedded within the calorimeters, by associating neutrinos with photons accompanying transient events responsible for their generation. Source identification and a large neutrino sample may enable one to use astrophysical neutrinos to constrain new physics models.

研究动机与目标

• 通过嵌入在能量吸收型环境中的UHECR源的宇宙学模型，解释冰立方观测到的宇宙中微子通量的起源。
• 将中微子的各向同性、成分和能谱与UHECR相互作用的Waxman-Bahcall中微子通量上限相协调。
• 确定需要将探测器有效质量在100 TeV以上提高十倍，以实现源识别并检验能量吸收模型。
• 探索通过识别源和获取大量中微子样本，利用高能中微子约束新物理模型的潜力。
• 评估UHECR组成（质子与重核）对预测中微子通量和可探测性的影响。

提出的方法

• 将Waxman-Bahcall界限作为UHECR相互作用中微子通量的理论上限，该界限基于质子-CMB相互作用和观测到的UHECR通量推导得出。
• 将UHECR源建模为瞬态、高光度加速器（如伽马射线暴），产生具有平坦能谱的质子，$E^2 d\tilde{n}/dE \propto E^0$，与无碰撞激波中的费米加速一致。
• 应用能量吸收模型，其中高恒星形成率星系作为能量吸收环境，$E/Z < 100$ PeV，确保大部分宇宙射线能量通过π介子产生损失。
• 估算这些环境中通过π介子衰变产生的中微子通量，假设质子主导的组成及通过CMB相互作用的能量损失。
• 通过估算附近星暴星系的中微子通量和所需探测器质量增加（>100 TeV时提高十倍），评估其可探测性，以实现统计显著性。
• 提出通过将中微子与同一事件的电磁瞬变（如伽马射线暴）关联，以识别加速器，要求进行协调的宽场电磁监测。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些天体物理环境能够在满足Waxman-Bahcall界限的前提下产生观测到的冰立方中微子通量？
• RQ2 星系中星形成环境的能量吸收特性如何解释探测到的中微子的各向同性和能谱形状？
• RQ3 需要多大的探测器质量增加才能探测到少数附近的明亮星暴星系作为中微子源？
• RQ4 能否通过将中微子与相同事件的电磁信号关联，识别出瞬态UHECR加速器？
• RQ5 UHECR组成（质子与重核）如何影响预测的中微子通量及其可探测性？

主要发现

• 观测到的冰立方中微子通量与UHECR源的宇宙学起源一致，其能谱在50 TeV至2 PeV范围内与Waxman-Bahcall界限匹配。
• 在100 TeV以上将探测器有效质量提高十倍，是探测少数附近明亮星暴星系作为中微子源所必需的，这将为能量吸收模型提供有力证据。
• 从UHECR加速器（如伽马射线暴）产生的中微子通量在0.1 PeV处仅约为总通量的1%，在1 PeV处约为10%，表明在灵敏度未提升前，直接探测加速器的可能性极低。
• 本地UHECR产生率估计为$0.5 \pm 0.15 \times 10^{44}$ erg/Mpc³/yr，与质子主导的组成和平坦的生成能谱一致。
• 该模型预测，在能量吸收环境中π介子衰变对0.1 TeV的光子背景有显著贡献，将质子谱限制为$d\log\dot{n}/d\log E > -2.2$。
• 在约10⁹.⁵ GeV处对GZK中微子通量的探测或严格上限，可证实或排除质子主导的UHECR组成，未来射电实验有望探测该能区。