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

Technische Samenvatting: Hoogenergetische Neutrino's van Pulsar-aangedreven Optische Transiënten

Probleemstelling
De recente detectie van een ultra-hoogenergetisch (UHE) neutrino-event, KM3-230213A, door de KM3NeT-collaboratie (gereconstrueerde energie van het ouder-neutrino $\sim 220$ PeV), vereist een verklaring voor de oorsprong ervan. Terwijl diverse astrofysische en kosmogene modellen zijn voorgesteld, onderzoekt dit werk de hypothese dat het event voortkomt uit een diffuse flux van hoogenergetische neutrino's geproduceerd door een populatie van pulsar-aangedreven optische transiënten. Specifiek onderzoeken de auteurs of kerninstortingsgebeurtenissen die resulteren in nieuw gevormde milliseconde-pulsars (magnetars) de vereiste neutrino-energie en fluens kunnen genereren om de "gezamenlijke flux" normalisatie afgeleid van KM3NeT, IceCube en Pierre Auger-data te evenaren.

Methodologie
De auteurs hanteren een uitgebreid fysisch model van een centrale motor bestaande uit een pasgeboren milliseconde-pulsar ingebed in supernova-ejecta. Het model volgt de depositie van de pulsar-spindown-energie in een omliggende nevel en de daaropvolgende interactie met de ejecta. Belangrijke componenten van de methodologie zijn onder meer:

1. Fysica van de Centrale Motor: De spindown-luminositeit ($L_{sd}$) wordt beheerst door de initiële rotatieperiode ($P_i$) en de dipolaire magnetische veldsterkte ($B_d$). Het model gaat uit van $P_i \in [1, 10]$ ms en $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G. De spindown-energie wordt verdeeld in thermische, niet-thermische, magnetische en kinetische componenten.
2. Deeltjesversnelling: Protonen worden versneld via twee mechanismen: de polkap-regio (bereikend tot $\sim 10^9$ GeV) en de terminatieschok (TS)-regio. Deze versnelde protonen interageren met thermische en niet-thermische fotonen in de nevel via fotomeson ($p\gamma$) processen om hoogenergetische neutrino's te produceren.
3. Transiënte Klassen: De studie onderzoekt drie onderscheidende klassen van optische transiënten aangedreven door dergelijke pulsars, die primair worden gedifferentieerd door ejecta-massa ($M_{ej}$) en compositie:
   • Gewone Kerninstortings-supernovae (CCSNe): $M_{ej} \approx 2,23 M_\odot$, met een tragere ejecta-snelheid ($\sim 0,05c$).
   • Super-Lichtsterke Supernovae (SLSNe): Vergelijkbare ejecta-massa als CCSNe, maar aangedreven door energetischere centrale motoren.
   • Lichtsterke Snelle Blauwe Optische Transiënten (LFBOTs): Lage ejecta-massa ($M_{ej} \approx 0,1 M_\odot$), hoge ejecta-snelheid ($\sim 0,24c$), en een samenstelling die gedomineerd wordt door waterstof/helium.
4. Parameterruimte-scan: De auteurs scannen systematisch de $B_d - P_i$ parameterruimte om de resulterende optische lichtcurve-eigenschappen (piekmagnitude $M_{AB}$, vervaltijd $t_-$) en neutrino-emissiekarakteristieken (totale neutrino-energie fluens $E_{\nu, tot}$, piek-neutrino-energie $\epsilon_{\nu}^{peak}$) te bepalen.
5. Berekening van de Diffuse Flux: De voor een enkele bron vereiste neutrino-fluens om de geobserveerde gezamenlijke diffuse flux te evenaren, wordt berekend met behulp van lokale transiënte dichtheden ($\dot{\rho}_0$) en de Hubble-constante.

Belangrijkste Resultaten
De survey van de parameterruimte levert de volgende cruciale bevindingen op:

• Optische Beperkingen:
  • Gewone SNe: Vertonen doorgaans $M_{AB} \sim -17$ en vervaltijden $t_- \sim 25$ dagen. Zij vereisen een lagere $B_d$ en een hogere $P_i$.
  • SLSNe: Vertonen $M_{AB} \sim -21$ en $t_- \sim 40$ dagen, wat een voorkeur heeft voor een lagere $P_i$ en een hogere $B_d$.
  • LFBOTs: Vertonen $M_{AB} \sim -22$ en snelle vervaltijden $t_- \sim 6$ dagen. Deze klasse vereist zeer snel roterende pulsars ($P_i < 5$ ms) en sterke magnetische velden ($B_d > 10^{13}$ G) om de noodzakelijke piek-luminositeit te bereiken gezien hun lage ejecta-massa.
• Neutrino-emissiecapaciteiten:
  • Gewone SNe: De totale neutrino-energie is beperkt tot $\sim 10^{46} - 10^{47}$ erg, met piek-neutrino-energieën $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeV. Dit schiet tekort voor de energievereisten van het KM3NeT-event.
  • SLSNe en LFBOTs: Beide klassen kunnen totale neutrino-energieën van $\gtrsim 10^{48}$ erg produceren met piek-energieën in het bereik van $10^7 - 10^8$ GeV, wat overeenkomt met het UHE-regime.
• Leefbaarheid voor KM3-230213A:
  • Hoewel zowel SLSNe als LFBOTs over de noodzakelijke centrale motor-kracht beschikken om UHE-neutrino's te produceren, worden LFBOTs geïdentificeerd als de meest plausibele bron.
  • Een specifieke LFBOT-parameterset ($P_i = 1,6$ ms, $B_d = 6 \times 10^{13}$ G) wordt aangewezen als de dominante bijdrage aan de diffuse flux. Deze configuratie produceert een piek-neutrino-energie en fluens die consistent zijn met de normalisatie van de gezamenlijke flux.
  • Hoewel individuele SLSNe vergelijkbare neutrino-energieën kunnen produceren, wordt de LFBOT-populatie verkozen omdat hun lagere ejecta-massa's een breder scala aan parameters toestaan om aan de piek-energie beperkingen ($\epsilon_{\nu}^{peak}$) te voldoen, en hun systematisch hogere populatie-gemiddelde piek-energieën beter aansluiten bij het vereiste diffuse spectrum om het event te verklaren.

Betekenis en Claims
Het artikel concludeert dat een diffuse neutrino-flux afkomstig van een populatie van LFBOT's, aangedreven door nieuw gevormde milliseconde-pulsars, een plausibele astrofysische verklaring biedt voor het KM3NeT-event KM3-230213A. De auteurs stellen dat LFBOT's ideaal geschikt zijn om de vereiste neutrino-energie en fluens-niveaus te reproduceren zonder de beperkingen van optische observaties te schenden. Bijgevolg suggereert het werk dat pulsar-aangedreven optische transiënten, in het bijzonder LFBOT's, veelbelovende bronnen vormen voor huidige en toekomstige hoogenergetische en ultra-hoogenergetische neutrino-telescopen. De studie claimt niet definitief de oorsprong te hebben bewezen, maar demonstreert de theoretische levensvatbaarheid binnen de verkende parameterruimte.