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

技術要約：パルサー駆動型光学トランジェントからの高エネルギーニュートリノ

問題提起
KM3NeTコラボレーションによって検出された、超高エネルギー（UHE）ニュートリノイベントKM3-230213A（再構成された親ニュートリノエネルギー $\sim 220$ PeV）は、その起源の説明を必要としている。様々な天体物理学的および宇宙起源のモデルが提案されているが、本研究では、パルサー駆動型の光学トランジェントの集団から発生する高エネルギーニュートリノの拡散フラックスに由来するという仮説を調査する。具体的には、新たに形成されたミリ秒パルサー（マグネター）をもたらすコア崩壊イベントが、KM3NeT、IceCube、およびPierre Augerのデータから導出された「結合フラックス」の正規化に一致するニュートリノエネルギーとフルエンスを生成できるかどうかを検証する。

手法
著者らは、超新星噴出物（エジェクタ）の中に埋め込まれた新しく誕生したミリ秒パルサーという中心エンジンに関する包括的な物理モデルを用いている。このモデルは、パルサーのスピンダウンエネルギーが周囲の星雲へと堆積し、その後の噴出物との相互作用を追跡するものである。手法の主要な構成要素は以下の通りである：

1. 中心エンジンの物理学： スピンダウン光度（$L_{sd}$）は、初期回転周期（$P_i$）と双極子磁場強度（$B_d$）によって決定される。モデルは $P_i \in [1, 10]$ ms および $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G と仮定している。スピンダウンエネルギーは、熱的、非熱的、磁気的、および運動学的成分に分割される。
2. 粒子加速： プロトンは、2つのメカニズムを通じて加速される：極冠領域（$\sim 10^9$ GeVに到達）および終端衝撃波（TS）領域である。加速されたプロトンは、星雲内の熱的および非熱的な光子と相互作用し、フォトメソン（$p\gamma$）過程を通じて高エネルギーニュートリノを生成する。
3. トランジェントの分類： 本研究では、主に噴出物の質量（$M_{ej}$）と組成によって区別される、このようなパルサーによって駆動される3つの異なる光学トランジェントのクラスを調査している：
   • 通常のコア崩壊超新星（CCSNe）： $M_{ej} \approx 2.23 M_\odot$ であり、より遅い噴出速度（$\sim 0.05c$）を持つ。
   • 超ルミノシティ超新星（SLSNe）： CCSNeと同様の噴出物質量を持つが、よりエネルギーの高い中心エンジンによって駆動される。
   • ルミナス・ファスト・ブルー・オプティカル・トランジェント（LFBOTs）： 低い噴出物質量（$M_{ej} \approx 0.1 M_\odot$）、高い噴出速度（$\sim 0.24c$）、および水素/ヘリウム主体の組成を持つ。
4. パラメータ空間のスキャン： 著者らは、$B_d - P_i$ パラメータ空間を系統的にスキャンし、結果として得られる光学光度曲線特性（ピーク等級 $M_{AB}$、減衰時間 $t_-$）およびニュートリノ放射特性（全ニュートリノエネルギーフルエンス $E_{\nu, tot}$、ピークニュートリノエネルギー $\epsilon_{\nu}^{peak}$）を決定する。
5. 拡散フラックスの計算： 観測された結合拡散フラックスに一致するために必要な単一ソースのニュートリノフルエンスは、局所的なトランジェントの数密度（$\dot{\rho}_0$）とハッブル定数を用いて計算される。

主要な結果
パラメータ空間の調査により、以下の重要な知見が得られた：

• 光学的な制約：
  • 通常のSNe： 通常、$M_{AB} \sim -17$ および $t_- \sim 25$ 日の減衰を示す。これらはより低い $B_d$ と高い $P_i$ を必要とする。
  • SLSNe： $M_{AB} \sim -21$ および $t_- \sim 40$ 日を示し、より低い $P_i$ と高い $B_d$ を好む。
  • LFBOTs： $M_{AB} \sim -22$ および急速な減衰 $t_- \sim 6$ 日を示す。このクラスは、その低い噴出物質量に対して必要なピーク光度を達成するために、非常に高速な回転パルサー（$P_i < 5$ ms）と強い磁場（$B_d > 10^{13}$ G）を必要とする。
• ニュートリノ放射能力：
  • 通常のSNe： 全ニュートリノエネルギーは $\sim 10^{46} - 10^{47}$ ergに制限され、ピークニュートリノエネルギーは $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeVである。これはKM3NeTイベントのエネルギー要件には及ばない。
  • SLSNeおよびLFBOTs： 両クラスとも $\gtrsim 10^{48}$ erg の全ニュートリノエネルギーと、$10^7 - 10^8$ GeV の範囲のピークエネルギーを生成することができる。
• KM3-230213Aに対する妥当性：
  • SLSNeとLFBOTsの両方が、UHEニュートリノを生成するために必要な中心エンジンのパワーを有しているが、LFBOTsが最も妥当なソースとして特定された。
  • 特定のLFBOTパラメータセット（$P_i = 1.6$ ms, $B_d = 6 \times 10^{13}$ G）が、拡散フラックスへの主要な寄与者として強調されている。この構成は、結合フラックスの正規化と一致するピークニュートリノエネルギーおよびフルエンスを生み出す。
  • 個々のSLSNeも同等のニュートリノエネルギーを生成し得るが、LFBOT集団が好まれる理由は、その低い噴出物質量により、ピークエネルギー（$\epsilon_{\nu}^{peak}$）の制約を満たすためのより広いパラメータ範囲を許容すること、および、彼らの系統的に高い集団平均ピークエネルギーが、イベントを説明するために必要な拡散スペクトルによく適合することである。

意義と主張
本論文は、新たに形成されたミリ秒パルサーによって駆動されるLFBOTsの集団に由来する拡散ニュートリノフラックスが、KM3NeTイベントKM3-230213Aに対する妥当な天体物理学的説明を提供する、と結論付けている。著者らは、LFBOTsが光学的な観測制約に抵触することなく、必要なニュートリノエネルギーとフルエンスレベルを再現するのに理想的であると主張している。したがって、本研究は、パルサー駆動型の光学トランジェント、特にLFBOTsが、現在および将来の高エネルギーおよび超高エネルギーニュートリノ望遠鏡にとって有望なソースであることを示唆している。この研究は、その起源を決定的に証明すると主張するものではなく、探索されたパラメータ空間内における理論的な妥当性を示すものである。