High energy neutrinos from pulsar-powered optical transients: LFBOTs as potential origin of the KM3NeT event KM3-230213A

Resumen Técnico: Neutrinos de Alta Energía de Transitorios Ópticos Impulsados por Púlsares

Planteamiento del Problema
La reciente detección de un evento de neutrinos de ultra alta energía (UHE), KM3-230213A, por parte de la colaboración KM3NeT (energía del neutrino progenitor reconstruida $\sim 220$ PeV), requiere una explicación para su origen. Mientras que se han propuesto diversos modelos astrofísicos y cosmogénicos, este trabajo investiga la hipótesis de que el evento surge de un flujo difuso de neutrinos de alta energía producido por una población de transitorios ópticos impulsados por púlsares. Específicamente, los autores examinan si los eventos de colapso de núcleo que resultan en púlsares de milisegundos (magnetares) recién formados pueden generar la energía y fluencia de neutrinos requeridas para coincidir con la normalización del "flujo conjunto" derivada de los datos de KM3NeT, IceCube y Pierre Auger.

Metodología
Los autores emplean un modelo físico integral de un motor central que consiste en un púlsar de milisegundos recién nacido embebido dentro de la eyecta de una supernova. El modelo rastrea la deposición de la energía de frenado (spindown) del púlsar en una nebulosa circundante y la subsiguiente interacción con la eyecta. Los componentes clave de la metodología incluyen:

1. Física del Motor Central: La luminosidad de frenado ($L_{sd}$) está gobernada por el periodo de rotación inicial ($P_i$) y la intensidad del campo magnético dipolar ($B_d$). El modelo asume $P_i \in [1, 10]$ ms y $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G. La energía de frenado se particiona en componentes térmicos, no térmicos, magnéticos y cinéticos.
2. Aceleración de Partículas: Los protones son acelerados mediante dos mecanismos: la región del polo (alcanzando $\sim 10^9$ GeV) y la región del choque de terminación (TS). Estos protones acelerados interactúan con fotones térmicos y no térmicos en la nebulosa mediante procesos fotomesónicos ($p\gamma$) para producir neutrinos de alta energía.
3. Clases de Transitorios: El estudio examina tres clases distintas de transitorios ópticos impulsados por tales púlsares, diferenciadas principalmente por la masa de la eyecta ($M_{ej}$) y su composición:
   • Supernovas de Colapso de Núcleo Ordinarias (CCSNe): $M_{ej} \approx 2.23 M_\odot$, velocidad de eyecta más lenta ($\sim 0.05c$).
   • Superluminosas (SLSNe): Masa de eyecta similar a las CCSNe pero impulsadas por motores centrales más energéticos.
   • Transitorios Ópticos Azules Rápidos Luminosos (LFBOTs): Baja masa de eyecta ($M_{ej} \approx 0.1 M_\odot$), alta velocidad de eyecta ($\sim 0.24c$) y composición dominada por hidrógeno/helio.
4. Escaneo del Espacio de Parámetros: Los autores escanean sistemáticamente el espacio de parámetros $B_d - P_i$ para determinar las propiedades resultantes de la curva de luz óptica (magnitud pico $M_{AB}$, tiempo de caída $t_-$) y las características de emisión de neutrinos (fluencia de energía total $E_{\nu, tot}$, energía pico de neutrinos $\epsilon_{\nu}^{peak}$).
5. Cálculo del Flujo Difuso: La fluencia de neutrinos de fuente única requerida para igualar el flujo difuso observado se calcula utilizando las densidades de tasa de transitorios locales ($\dot{\rho}_0$) y la constante de Hubble.

Resultos Clave
El escaneo del espacio de parámetros arroja los siguientes hallazgos críticos:

• Restricciones Ópticas:
  • SNe Ordinarias: Típicamente exhiben $M_{AB} \sim -17$ y tiempos de caída $t_- \sim 25$ días. Requieren un $B_d$ menor y un $P_i$ mayor.
  • SLSNe: Exhiben $M_{AB} \sim -21$ y $t_- \sim 40$ días, favoreciendo un $P_i$ menor y un $B_d$ mayor.
  • LFBOTs: Exhiben $M_{AB} \sim -22$ y tiempos de caída rápidos $t_- \sim 6$ días. Esta clase requiere púlsares que giran muy rápido ($P_i < 5$ ms) e intensos campos magnéticos ($B_d > 10^{13}$ G) para lograr la luminosidad pico necesaria dada su baja masa de eyecta.
• Capacidades de Emisión de Neutrinos:
  • SNe Ordinarias: La energía total de neutrinos está limitada a $\sim 10^{46} - 10^{47}$ erg, con energías pico de neutrinos $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeV. Esto es insuficiente para los requisitos de energía del evento de KM3NeT.
  • SLSNe y LFBOTs: Ambas clases pueden producir energías de neutrinos totales $\gtrsim 10^{48}$ erg con energías pico en el rango de $10^7 - 10^8$ GeV, coincidiendo con el régimen UHE.
• Viabilidad para KM3-230213A:
  • Aunque tanto las SLSNe como los LFBOTs poseen la potencia del motor central necesaria para producir neutrinos UHE, los LFBOTs son identificados como la fuente más plausible.
  • Se destaca un conjunto de parámetros específico de LFBOT ($P_i = 1.6$ ms, $B_d = 6 \times 10^{13}$ G) como el contribuyente dominante al flujo difuso. Esta configuración produce una energía y fluencia de neutrinos pico consistentes con la normalización del flujo conjunto.
  • Aunque las SLSNe individuales pueden producir energías de neutrinos comparables, la población de LFBOT es la favorecida porque sus menores masas de eyecta permiten un rango más amplio de parámetros para satisfacer las restricciones de energía pico ($\epsilon_{\nu}^{peak}$), y sus energías pico promediadas por población sistemáticamente más altas se alinean mejor con el espectro difuso requerido para explicar el evento.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo concluye que un flujo difuso de neutrinos originado de una población de LFBOTs, impulsados por púlsares de milisegundos recién formados, proporciona una explicación astrofísica plausible para el evento de neutrinos de KM3NeT KM3-230213A. Los autores afirman que los LFBOTs son idealmente aptos para reproducir los niveles de energía y fluencia de neutrinos requeridos sin violar las restricciones de las observaciones ópticas. En consecuencia, el trabajo sugiere que los transitorios ópticos impulsados por púlsares, particularmente los LFBOTs, representan fuentes prometedoras para los telescopios de neutrinos de alta y ultra alta energía actuales y futuros. El estudio no pretende demostrar definitivamente este origen, sino demostrar su viabilidad teórica dentro del espacio de parámetros explorado.