Implications of a PeV neutrino spectral cut-off in gamma-ray burst models

被引：40

作者：

Petropoulou, M. ^{[1
]}

Giannios, D. ^{[1
]}

Dimitrakoudis, S. ^{[2
]}

机构：

[1] Purdue Univ, Dept Phys & Astron, W Lafayette, IN 47907 USA

[2] Natl Observ Athens, Inst Astron Astrophys Space Applicat & Remote Sen, Penteli 15236, Greece

来源：

MONTHLY NOTICES OF THE ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY | 2014年 / 445卷 / 01期

关键词：

neutrinos; radiation mechanisms: non-thermal; gamma-ray burst: general; PROMPT EMISSION; RAREFACTION ACCELERATION; MAGNETIC RECONNECTION; TEMPORAL SIGNATURES; PEAK ENERGY; GRB; DYNAMICS; CATALOG;

D O I：

10.1093/mnras/stu1757

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

The recent discovery of extragalactic PeV neutrinos opens a new window to the exploration of cosmic ray accelerators. The observed PeV neutrino flux is close to the Waxman-Bahcall upper bound implying that gamma-ray bursts (GRBs) may be the source of ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs). Starting with the assumption of the GRB-UHECR connection, we show using both analytical estimates and numerical simulations that the observed neutrinos can originate at the jet as a result of photopion interactions with the following implications: the neutrino spectra are predicted to have a cut-off at energy less than or similar to 10 PeV; the dissipation responsible for the GRB emission and cosmic ray acceleration takes place at distances r(diss) similar or equal to 3 x 10(11)-3 x 10(13) cm from the central engine; the Thomson optical depth at the dissipation region is tau(T) similar to 1; the jet carries a substantial fraction of its energy in the form of Poynting flux at the dissipation region, and has a Lorentz factor Gamma similar or equal to 100-500. The non-detection of PeV neutrinos coincident with GRBs will indicate that GRBs are either poor cosmic accelerators or the dissipation takes place at small optical depths in the jet.

引用

页码：570 / 580

页数：11

共 77 条

[1] Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. ;

Clark, K. ;

Classen, L. ;

Clevermann, F. ;

Coenders, S. ;

Cowen, D. F. ;

Silva, A. H. Cruz ;

Danninger, M. ;

Daughhetee, J. ;

Davis, J. C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2014, 113 (10)

[2] Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector [J].

Aartsen, M. G. ;

Abbasi, R. ;

Abdou, Y. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguitar, J. A. ;

Alders, M. ;

Altmann, D. ;

Auffenberg, J. ;

Ba, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K-H. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

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. ;

Boliaichuk, 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. ;

Clark, K. ;

Cleverrnann, F. .

SCIENCE, 2013, 342 (6161) :947-+

[3] 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

[4] Limits on Neutrino Emission from Gamma-Ray Bursts with the 40 String IceCube Detector [J].

Abbasi, R. ;

Abdou, Y. ;

Abu-Zayyad, T. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

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. ;

Braun, J. ;

Brown, A. M. ;

Buitink, S. ;

Carson, M. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clem, J. ;

Clevermann, F. ;

Cohen, S. ;

Colnard, C. ;

Cowen, D. F. ;

D'Agostino, M. V. ;

Danninger, M. ;

Daughhetee, J. ;

Davis, J. C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2011, 106 (14)

[5] SEARCH FOR MUON NEUTRINOS FROM GAMMA-RAY BURSTS WITH THE IceCube NEUTRINO TELESCOPE [J].

Abbasi, R. ;

Abdou, Y. ;

Abu-Zayyad, T. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

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. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bolmont, J. ;

Botner, O. ;

Bradley, L. ;

Braun, J. ;

Breder, D. ;

Castermans, T. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clem, J. ;

Cohen, S. ;

Cowen, D. F. ;

D'Agostino, M. V. ;

Danninger, M. ;

Day, C. T. ;

De Clercq, C. ;

Demiroers, L. ;

Depaepe, O. ;

Descamps, F. ;

Desiati, P. ;

de Vries-Uiterweerd, G. ;

DeYoung, T. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2010, 710 (01) :346-359

[6] Upper limit on the diffuse flux of ultrahigh energy tau neutrinos from the Pierre Auger Observatory [J].

Abraham, J. ;

Abreu, P. ;

Aglietta, M. ;

Aguirre, C. ;

Allard, D. ;

Allekotte, I. ;

Allen, J. ;

Allison, P. ;

Alvarez-Muniz, J. ;

Ambrosio, M. ;

Anchordoqui, L. ;

Andringa, S. ;

Anzalone, A. ;

Aramo, C. ;

Argiro, S. ;

Arisaka, K. ;

Armengaud, E. ;

Arneodo, F. ;

Arqueros, F. ;

Asch, T. ;

Asorey, H. ;

Assis, P. ;

Atulugama, B. S. ;

Aublin, J. ;

Ave, M. ;

Avila, G. ;

Baecker, T. ;

Badagnani, D. ;

Barbosa, A. F. ;

Barnhill, D. ;

Barroso, S. L. C. ;

Bauleo, P. ;

Beatty, J. J. ;

Beau, T. ;

Becker, B. R. ;

Becker, K. H. ;

Bellido, J. A. ;

BenZvi, S. ;

Berat, C. ;

Bergmann, T. ;

Bernardini, P. ;

Bertou, X. ;

Biermann, P. L. ;

Billoir, P. ;

Blanch-Bigas, O. ;

Blanco, F. ;

Blasi, P. ;

Bleve, C. ;

Bluemer, H. ;

Bohacova, M. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2008, 100 (21)

[7] Design and initial performance of the Askaryan Radio Array prototype EeV neutrino detector at the South Pole [J].

Allison, P. ;

Auffenberg, J. ;

Bard, R. ;

Beatty, J. J. ;

Besson, D. Z. ;

Boeser, S. ;

Chen, C. ;

Chen, P. ;

Connolly, A. ;

Davies, J. ;

DuVernois, M. ;

Fox, B. ;

Gorham, P. W. ;

Grashorn, E. W. ;

Hanson, K. ;

Haugen, J. ;

Helbing, K. ;

Hill, B. ;

Hoffman, K. D. ;

Hong, E. ;

Huang, M. ;

Huang, M. H. A. ;

Ishihara, A. ;

Karle, A. ;

Kennedy, D. ;

Landsman, H. ;

Liu, T. C. ;

Macchiarulo, L. ;

Mase, K. ;

Meures, T. ;

Meyhandan, R. ;

Miki, C. ;

Morse, R. ;

Newcomb, M. ;

Nichol, R. J. ;

Ratzlaff, K. ;

Richman, M. ;

Ritter, L. ;

Rott, C. ;

Rotter, B. ;

Sandstrom, P. ;

Seckel, D. ;

Touart, J. ;

Varner, G. S. ;

Wang, M. -Z. ;

Weaver, C. ;

Wendorff, A. ;

Yoshida, S. ;

Young, R. .

ASTROPARTICLE PHYSICS, 2012, 35 (07) :457-477

[8]

[Anonymous], PHYS REV D

[9]

[Anonymous], 2011, NAT COMMUN, DOI DOI 10.1038/NCOMMS1472

[10]

Asano K., 2014, APJ, V785, p54A

← 1 2 3 4 5 6 7 8 →