High-energy-neutrino production in high-redshift blazars

Abstract

Oppdagelsen av en astrofysisk nøytrinofluks av IceCube Neutrino Observatory motiverer jakten på sterke protonakseleratorer som kan produsere nøytrinoer gjennom vekselvirkninger mellom høyenergiske protoner og fotoner. Blåsarer, i kraft av å være noen av universets mest lyssterke strålekilder, kan være svaret. I et forsøk på å finne en sammenheng mellom blåsarer og astrofysiske nøytrinoer, lager denne oppgaven en teoretisk prognose for nøytrinofluksene til et utvalg blåsarer. Dette gjøres ved å lage leptohadroniske modeller av de 19 blåsarene som ble analysert i Ghisellini et al. (G11). Disse blåsarene er blant de kraftigste i universet når det kommer til jetstrålenes effekt og tilvekstskivenes luminositet. Dette kan potensielt gjøre dem til kraftige nøytrinokilder. Den leptoniske modellen tar utgangspunkt i den leptoniske modellen til G11 men med tilføyelsen av et injisert pro- tonspektrum. Protonspekterets luminositet bestemmes slik at protonenes bidrag til den totale energifluksen ikke påvirker samsvaret med dataene fra G11. Oppdatert data fra Fermi-LAT, tas i betraktning når modellens kvalitet vurderes. Nøytrinofluksens prognose sammenliknes med flukssensitiviteten til IceCube-observatoriet, samt de framtidige an- tatte flukssensitivitetene til IceCube-Gen2 og KM3NeT/ARCA. En kommer fram til at av de 19 blåsarene analysert her, er det de tre ved navn 4C+01.02, TXS 0322+222 og PKS 0458-02 som produserer nøytrinoflukser som kan være sterke nok til å kunne oppfattes i løpet av IceCube-Gen2s første 15 år. For modellen i denne oppgaven når nøytrinofluksen toppen for energier høyere enn 1 PeV.

The discovery of an astrophysical neutrino flux by the IceCube Neutrino Observatory motivates the search for strong proton accelerators that can produce neutrinos through interactions between high-energy protons and photons. Blazars, being some of the most luminous sources of radiation in the Universe, could be the answer. Attempting to establish a connection between blazars and astrophysical neutrinos, this thesis makes a theoretical prediction of the neutrino fluxes of a selection of blazars. This is done by making leptohadronic models of the 19 blazars studied in Ghisellini et al. (G11). These blazars are among the most powerful in the Universe in terms of jet power and accretion disk luminosity, potentially making them strong neutrino emitters. The leptonic model is based on the leptonic model in G11 but with the addition of an injected proton spectrum. The proton spectrum luminosity is set at a level where its contribution to the energy flux is subdominant. Updated Fermi-LAT data are also considered when evaluating the quality of the model. The predicted neutrino flux is compared to the flux sensitivity of IceCube, along with the predicted future flux sensitivities of IceCube-Gen2 and KM3NeT/ARCA. It is found that out of the 19 blazars studied, the three named 4C+01.02, TXS 0322+222 and PKS 0458-02 produce neutrino fluxes that may be detectable within the first 15 years of IceCube-Gen2. For the model in this thesis, the neutrino fluxes peak at energies larger than 1 PeV.