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

Sintesi Tecnica: Neutrini ad Alta Energia da Transienti Ottici Alimentati da Pulsar

Problematica
La recente rilevazione di un evento di neutrini a ultra-alta energia (UHE), KM3-230213A, da parte della collaborazione KM3NeT (energia del neutrino genitore ricostruita $\sim 220$ PeV), richiede una spiegazione per la sua origine. Mentre sono stati proposti vari modelli astrofisici e cosmogenici, questo lavoro investiga l'ipotesi che l'evento derivi da un flusso diffuso di neutrini ad alta energia prodotti da una popolazione di transienti ottici alimentati da pulsar. Nello specifico, gli autori esaminano se gli eventi di collasso del nucleo (core-collapse) che portano alla formazione di nuove pulsar millisecondo (magnetar) possano generare l'energia e la fluenza di neutrini necessari per corrispondere alla normalizzazione del "flusso congiunto" derivata dai dati di KM3NeT, IceCube e Pierre Auger.

Metodologia
Gli autori impiegano un modello fisico completo di un motore centrale costituito da una pulsar millisecondo appena nata immersa in un ejecta di supernova. Il modello traccia il deposito dell'energia di spindown della pulsar in una nebulosa circostante e la successiva interazione con l'ejecta. I componenti chiave della metodologia includono:

1. Fisica del Motore Centrale: La luminosità di spindown ($L_{sd}$) è governata dal periodo di rotazione iniziale ($P_i$) e dall'intensità del campo magnetico dipolare ($B_d$). Il modello assume $P_i \in [1, 10]$ ms e $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G. L'energia di spindown è suddivisa in componenti termiche, non termiche, magnetiche e cinetiche.
2. Accelerazione delle Particelle: I protoni vengono accelerati tramite due meccanismi: la regione del polo (raggiungendo $\sim 10^9$ GeV) e la regione dello shock di terminazione (TS). Questi protoni accelerati interagiscono con fotoni termici e non termici nella nebulosa tramite processi fotomesonici ($p\gamma$) per produrre neutrini ad alta energia.
3. Classi di Transienti: Lo studio esamina tre distinte classi di transienti ottici alimentati da tali pulsar, differenziate principalmente dalla massa dell'ejecta ($M_{ej}$) e dalla composizione:
   • Supernovae a Collasso del Nucleo Ordinarie (CCSNe): $M_{ej} \approx 2.23 M_\odot$, velocità dell'ejecta più lenta ($\sim 0.05c$).
   • Super-Luminose Supernovae (SLSNe): Massa dell'ejecta simile alle CCSNe, ma alimentate da motori centrali più energetici.
   • Luminous Fast Blue Optical Transients (LFBOTs): Bassa massa dell'ejecta ($M_{ej} \approx 0.1 M_\odot$), alta velocità dell'ejecta ($\sim 0.24c$), e composizione dominata da idrogeno ed elio.
4. Scansione dello Spazio dei Parametri: Gli autori scansionano sistematicamente lo spazio dei parametri $B_d - P_i$ per determinare le proprietà risultanti della curva di luce ottica (magnitudine di picco $M_{AB}$, tempo di decadimento $t_-$) e le caratteristiche di emissione dei neutrini (energia totale di fluenza $E_{\nu, tot}$, energia di picco dei neutrini $\epsilon_{\nu}^{peak}$).
5. Calcolo del Flusso Diffuso: La fluenza di neutrini da singola sorgente richiesta per corrispondere al flusso diffuso osservato è calcolata utilizzando le densità di tasso dei transienti locali ($\dot{\rho}_0$) e la costante di Hubble.

Risultati Chiave
La scansione dello spazio dei parametri produce i seguenti risultati critici:

• Vincoli Ottici:
  • SNe Ordinarie: Presentano tipicamente $M_{AB} \sim -17$ e tempi di decadimento $t_- \sim 25$ giorni. Richiedono un $B_d$ più basso e un $P_i$ più alto.
  • SLSNe: Presentano $M_{AB} \sim -21$ e $t_- \sim 40$ giorni, favorendo un $P_i$ più basso e un $B_d$ più alto.
  • LFBOTs: Presentano $M_{AB} \sim -22$ e tempi di decadimento rapidi $t_- \sim 6$ giorni. Questa classe richiede pulsar con rotazione molto veloce ($P_i < 5$ ms) e campi magnetici forti ($B_d > 10^{13}$ G) per raggiungere la necessaria luminosità di picco data la loro bassa massa dell'ejecta.
• Capacità di Emissione di Neutrini:
  • SNe Ordinarie: L'energia totale dei neutrini è limitata a $\sim 10^{46} - 10^{47}$ erg, con energie di picco dei neutrini $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeV. Ciò è insufficiente per soddisfare i requisiti energetici dell'evento KM3NeT.
  • SLSNe e LFBOTs: Entrambe le classi possono produrre energie totali dei neutrini $\gtrsim 10^{48}$ erg con energie di picco nell'intervallo $10^7 - 10^8$ GeV, corrispondendo al regime UHE.
• Viabilità per KM3-230213A:
  • Sebbene sia le SLSNe che le LFBOTs possiedano la potenza del motore centrale necessaria per produrre neutrini UHE, le LFBOTs sono identificate come la fonte più plausibile.
  • Un set specifico di parametri per le LFBOT ($P_i = 1.6$ ms, $B_d = 6 \times 10^{13}$ G) è evidenziato come il contributore dominante al flusso diffuso. Questa configurazione produce un'energia e una fluenza di picco dei neutrini coerenti con la normalizzazione del flusso congiunto.
  • Sebbene le singole SLSNe possano produrre energie di neutrini comparabili, la popolazione delle LFBOT è favorita perché le loro masse di ejecta inferiori permettono una gamma più ampia di parametri per soddisfare i vincoli di energia di picco ($\epsilon_{\nu}^{peak}$), e le loro energie di picco mediate sulla popolazione, sistematicamente più elevate, si allineano meglio con lo spettro diffuso richiesto per spiegare l'evento.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento conclude che un flusso di neutrini diffuso proveniente da una popolazione di LFBOT, alimentata da nuove pulsar millisecondo, fornisce una spiegazione astrofisica plausibile per l'evento di neutrini KM3NeT KM3-230213A. Gli autori affermano che le LFBOT sono idealmente adatte a riprodurre i livelli di energia e fluenza dei neutrini senza violare i vincoli dalle osservazioni ottiche. Di conseguenza, il lavoro suggerisce che i transienti ottici alimentati da pulsar, in particolare le LFBOT, rappresentano fonti promettenti per i telescopi di neutrini ad alta energia e ultra-alta energia attuali e futuri. Lo studio non pretende di provare definitivamente questa origine, ma dimostra la sua viabilità teorica all'interno dello spazio dei parametri esplorato.