GeV-PeV neutrino production and oscillation in hidden jets from gamma-ray bursts

被引:47
作者
Fraija, Nissim [1 ]
机构
[1] Univ Nacl Autonoma Mexico, Inst Astron, Mexico City 04510, DF, Mexico
关键词
neutrinos; gamma-ray burst: general; stars: jets; HIGH-ENERGY NEUTRINOS; COSMIC-RAYS; ACCELERATION; EVOLUTION; DISCOVERY; EMISSION; LONG;
D O I
10.1093/mnras/stt2036
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
Long gamma-ray bursts have been widely associated with collapsing massive stars in the framework of collapsar model. High-energy neutrinos and photons can be produced in the internal shocks of middle relativistic jets from core-collapse supernova. Although photons can hardly escape, high-energy neutrinos could be the only signature when the jets are hidden. We show that using suitable parameters, high-energy neutrinos in GeV-PeV range can be produced in the hidden jet inside the collapsar, thus demonstrating that these objects are candidates to produce neutrinos with energies between 1 and 10 PeV which were observed with IceCube. On the other hand, due to matter effects, high-energy neutrinos may oscillate resonantly from one flavour to another before leaving the star. Using two- (solar, atmospheric and accelerator parameters) and three-neutrino mixing, we study the possibility of resonant oscillation for these neutrinos created in internal shocks. Also we compute the probabilities of neutrino oscillations in the matter at different distances along the jet (before leaving the star) and after in vacuum, on their path to Earth. Finally, neutrino flavour ratios on Earth are estimated.
引用
收藏
页码:2187 / 2200
页数:14
相关论文
共 75 条
[1]   First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube [J].
Aartsen, M. G. ;
Abbasi, R. ;
Abdou, Y. ;
Ackermann, M. ;
Adams, J. ;
Aguilar, J. A. ;
Ahlers, M. ;
Altmann, D. ;
Auffenberg, J. ;
Bai, X. ;
Baker, M. ;
Barwick, S. W. ;
Baum, V. ;
Bay, R. ;
Beatty, J. J. ;
Bechet, S. ;
Tjus, J. Becker ;
Becker, K. -H. ;
Bell, M. ;
Benabderrahmane, M. L. ;
BenZvi, S. ;
Berdermann, J. ;
Berghaus, P. ;
Berley, D. ;
Bernardini, E. ;
Bernhard, A. ;
Bertrand, D. ;
Besson, D. Z. ;
Binder, G. ;
Bindig, D. ;
Bissok, M. ;
Blaufuss, E. ;
Blumenthal, J. ;
Boersma, D. J. ;
Bohaichuk, S. ;
Bohm, C. ;
Bose, D. ;
Boeser, S. ;
Botner, O. ;
Brayeur, L. ;
Bretz, H. -P. ;
Brown, A. M. ;
Bruijn, R. ;
Brunner, J. ;
Carson, M. ;
Casey, J. ;
Casier, M. ;
Chirkin, D. ;
Christov, A. ;
Christy, B. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 111 (02)
[2]   An absence of neutrinos associated with cosmic-ray acceleration in γ-ray bursts [J].
Abbasi, R. ;
Abdou, Y. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Ackermann, M. ;
Adams, J. ;
Aguilar, J. A. ;
Ahlers, M. ;
Altmann, D. ;
Andeen, K. ;
Auffenberg, J. ;
Bai, X. ;
Baker, M. ;
Barwick, S. W. ;
Bay, R. ;
Alba, J. L. Bazo ;
Beattie, K. ;
Beatty, J. J. ;
Bechet, S. ;
Becker, J. K. ;
Becker, K. -H. ;
Bell, M. ;
Benabderrahmane, M. L. ;
BenZvi, S. ;
Berdermann, J. ;
Berghaus, P. ;
Berley, D. ;
Bernardini, E. ;
Bertrand, D. ;
Besson, D. Z. ;
Bindig, D. ;
Bissok, M. ;
Blaufuss, E. ;
Blumenthal, J. ;
Boersma, D. J. ;
Bohm, C. ;
Bose, D. ;
Boeser, S. ;
Botner, O. ;
Brayeur, L. ;
Brown, A. M. ;
Buitink, S. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Carson, M. ;
Casier, M. ;
Chirkin, D. ;
Christy, B. ;
Clevermann, F. ;
Cohen, S. ;
Colnard, C. ;
Cowen, D. F. .
NATURE, 2012, 484 (7394) :351-354
[3]   The design and performance of IceCube DeepCore [J].
Abbasi, R. ;
Abdou, Y. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Ackermann, M. ;
Adams, J. ;
Aguilar, J. A. ;
Ahlers, M. ;
Allen, M. M. ;
Altmann, D. ;
Andeen, K. ;
Auffenberg, J. ;
Bai, X. ;
Baker, M. ;
Barwick, S. W. ;
Bay, R. ;
Alba, J. L. Bazo ;
Beattie, K. ;
Beatty, J. J. ;
Bechet, S. ;
Becker, J. K. ;
Becker, K. -H. ;
Benabderrahmane, M. L. ;
BenZvi, S. ;
Berdermann, J. ;
Berghaus, P. ;
Berley, D. ;
Bernardini, E. ;
Bertrand, D. ;
Besson, D. Z. ;
Bindig, D. ;
Bissok, M. ;
Blaufuss, E. ;
Blumenthal, J. ;
Boersma, D. J. ;
Bohm, C. ;
Bose, D. ;
Boeser, S. ;
Botner, O. ;
Brown, A. M. ;
Buitink, S. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Carson, M. ;
Chirkin, D. ;
Christy, B. ;
Clevermann, F. ;
Cohen, S. ;
Colnard, C. ;
Cowen, D. F. ;
Silva, A. H. Cruz ;
D'Agostino, M. V. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2012, 35 (10) :615-624
[4]   Search for Differences in Oscillation Parameters for Atmospheric Neutrinos and Antineutrinos at Super-Kamiokande [J].
Abe, K. ;
Hayato, Y. ;
Iida, T. ;
Ikeda, M. ;
Iyogi, K. ;
Kameda, J. ;
Koshio, Y. ;
Kozuma, Y. ;
Miura, M. ;
Moriyama, S. ;
Nakahata, M. ;
Nakayama, S. ;
Obayashi, Y. ;
Sekiya, H. ;
Shiozawa, M. ;
Suzuki, Y. ;
Takeda, A. ;
Takenaga, Y. ;
Takeuchi, Y. ;
Ueno, K. ;
Ueshima, K. ;
Watanabe, H. ;
Yamada, S. ;
Yokozawa, T. ;
Ishihara, C. ;
Kaji, H. ;
Lee, K. P. ;
Kajita, T. ;
Kaneyuki, K. ;
McLachlan, T. ;
Okumura, K. ;
Shimizu, Y. ;
Tanimoto, N. ;
Martens, K. ;
Vagins, M. R. ;
Labarga, L. ;
Magro, L. M. ;
Dufour, F. ;
Kearns, E. ;
Litos, M. ;
Raaf, J. L. ;
Stone, J. L. ;
Sulak, L. R. ;
Goldhaber, M. ;
Bays, K. ;
Kropp, W. R. ;
Mine, S. ;
Regis, C. ;
Smy, M. B. ;
Sobel, H. W. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2011, 107 (24)
[5]   Search for electron neutrino appearance at the Δm2∼1 eV2 scale [J].
Aguilar-Arevalo, A. A. ;
Bazarko, A. O. ;
Brice, S. J. ;
Brown, B. C. ;
Bugel, L. ;
Cao, J. ;
Coney, L. ;
Conrad, J. M. ;
Cox, D. C. ;
Curioni, A. ;
Djurcic, Z. ;
Finley, D. A. ;
Fleming, B. T. ;
Ford, R. ;
Garcia, F. G. ;
Garvey, G. T. ;
Green, C. ;
Green, J. A. ;
Hart, T. L. ;
Hawker, E. ;
Imlay, R. ;
Johnson, R. A. ;
Kasper, P. ;
Katori, T. ;
Kobilarcik, T. ;
Kourbanis, I. ;
Koutsoliotas, S. ;
Laird, E. M. ;
Link, J. M. ;
Liu, Y. ;
Liu, Y. ;
Louis, W. C. ;
Mahn, K. B. M. ;
Marsh, W. ;
Martin, P. S. ;
McGregor, G. ;
Metcalf, W. ;
Meyers, P. D. ;
Mills, F. ;
Mills, G. B. ;
Monroe, J. ;
Moore, C. D. ;
Nelson, R. H. ;
Nienaber, P. ;
Ouedraogo, S. ;
Patterson, R. B. ;
Perevalov, D. ;
Polly, C. C. ;
Prebys, E. ;
Raaf, J. L. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2007, 98 (23)
[6]   Event Excess in the MiniBooNE Search for (ν)over-barμ → (ν)over-bare Oscillations [J].
Aguilar-Arevalo, A. A. ;
Anderson, C. E. ;
Brice, S. J. ;
Brown, B. C. ;
Bugel, L. ;
Conrad, J. M. ;
Dharmapalan, R. ;
Djurcic, Z. ;
Fleming, B. T. ;
Ford, R. ;
Garcia, F. G. ;
Garvey, G. T. ;
Mirabal, J. ;
Grange, J. ;
Green, J. A. ;
Imlay, R. ;
Johnson, R. A. ;
Karagiorgi, G. ;
Katori, T. ;
Kobilarcik, T. ;
Linden, S. K. ;
Louis, W. C. ;
Mahn, K. B. M. ;
Marsh, W. ;
Mauger, C. ;
Metcalf, W. ;
Mills, G. B. ;
Moore, C. D. ;
Mousseau, J. ;
Nelson, R. H. ;
Nguyen, V. ;
Nienaber, P. ;
Nowak, J. A. ;
Osmanov, B. ;
Pavlovic, Z. ;
Perevalov, D. ;
Polly, C. C. ;
Ray, H. ;
Roe, B. P. ;
Russell, A. D. ;
Schirato, R. ;
Shaevitz, M. H. ;
Sorel, M. ;
Spitz, J. ;
Stancu, I. ;
Stefanski, R. J. ;
Tayloe, R. ;
Tzanov, M. ;
Van de Water, R. G. ;
Wascko, M. O. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2010, 105 (18)
[7]   Unexplained Excess of Electronlike Events from a 1-GeV Neutrino Beam [J].
Aguilar-Arevalo, A. A. ;
Anderson, C. E. ;
Bazarko, A. O. ;
Brice, S. J. ;
Brown, B. C. ;
Bugel, L. ;
Cao, J. ;
Coney, L. ;
Conrad, J. M. ;
Cox, D. C. ;
Curioni, A. ;
Djurcic, Z. ;
Finley, D. A. ;
Fleming, B. T. ;
Ford, R. ;
Garcia, F. G. ;
Garvey, G. T. ;
Green, C. ;
Green, J. A. ;
Hart, T. L. ;
Hawker, E. ;
Imlay, R. ;
Johnson, R. A. ;
Karagiorgi, G. ;
Kasper, P. ;
Katori, T. ;
Kobilarcik, T. ;
Kourbanis, I. ;
Koutsoliotas, S. ;
Laird, E. M. ;
Linden, S. K. ;
Link, J. M. ;
Liu, Y. ;
Liu, Y. ;
Louis, W. C. ;
Mahn, K. B. M. ;
Marsh, W. ;
McGregor, G. ;
Metcalf, W. ;
Meyers, P. D. ;
Mills, F. ;
Mills, G. B. ;
Monroe, J. ;
Moore, C. D. ;
Nelson, R. H. ;
Nguyen, V. T. ;
Nienaber, P. ;
Nowak, J. A. ;
Ouedraogo, S. ;
Patterson, R. B. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2009, 102 (10)
[8]   Combined analysis of all three phases of solar neutrino data from the Sudbury Neutrino Observatory [J].
Aharmim, B. ;
Ahmed, S. N. ;
Anthony, A. E. ;
Barros, N. ;
Beier, E. W. ;
Bellerive, A. ;
Beltran, B. ;
Bergevin, M. ;
Biller, S. D. ;
Boudjemline, K. ;
Boulay, M. G. ;
Cai, B. ;
Chan, Y. D. ;
Chauhan, D. ;
Chen, M. ;
Cleveland, B. T. ;
Cox, G. A. ;
Dai, X. ;
Deng, H. ;
Detwiler, J. A. ;
DiMarco, M. ;
Doe, P. J. ;
Doucas, G. ;
Drouin, P. -L. ;
Duncan, F. A. ;
Dunford, M. ;
Earle, E. D. ;
Elliott, S. R. ;
Evans, H. C. ;
Ewan, G. T. ;
Farine, J. ;
Fergani, H. ;
Fleurot, F. ;
Ford, R. J. ;
Formaggio, J. A. ;
Gagnon, N. ;
Goon, J. T. M. ;
Graham, K. ;
Guillian, E. ;
Habib, S. ;
Hahn, R. L. ;
Hallin, A. L. ;
Hallman, E. D. ;
Harvey, P. J. ;
Hazama, R. ;
Heintzelman, W. J. ;
Heise, J. ;
Helmer, R. L. ;
Hime, A. ;
Howard, C. .
PHYSICAL REVIEW C, 2013, 88 (02)
[9]   Measurement of neutrino oscillation by the K2K experiment [J].
Ahn, M. H. ;
Aliu, E. ;
Andringa, S. ;
Aoki, S. ;
Aoyama, Y. ;
Argyriades, J. ;
Asakura, K. ;
Ashie, R. ;
Berghaus, F. ;
Berns, H. G. ;
Bhang, H. ;
Blondel, A. ;
Borghi, S. ;
Bouchez, J. ;
Boyd, S. C. ;
Burguet-Castell, J. ;
Casper, D. ;
Catala, J. ;
Cavata, C. ;
Cervera, A. ;
Chen, S. M. ;
Cho, K. O. ;
Choi, J. H. ;
Dore, U. ;
Echigo, S. ;
Espinal, X. ;
Fechner, M. ;
Fernandez, E. ;
Fujii, K. ;
Fujii, Y. ;
Fukuda, S. ;
Fukuda, Y. ;
Gomez-Cadenas, J. ;
Gran, R. ;
Hara, T. ;
Hasegawa, M. ;
Hasegawa, T. ;
Hayashi, K. ;
Hayato, Y. ;
Helmer, R. L. ;
Higuchi, I. ;
Hill, J. ;
Hiraide, K. ;
Hirose, E. ;
Hosaka, J. ;
Ichikawa, A. K. ;
Ieiri, M. ;
Iinuma, M. ;
Ikeda, A. ;
Inagaki, T. .
PHYSICAL REVIEW D, 2006, 74 (07)
[10]  
Akhmedov EK, 2004, J HIGH ENERGY PHYS