On the flavor composition of neutrinos from choked jets of gamma-ray bursts

Abstract

Gamma-ray bursts ahogados (CGRBs, por sus siglas en inglés) se producen cuando un jet generado en el centro de una estrella masiva en colapso no puede emerger del envoltorio estelar, y por lo tanto los rayos gamma que puedan ser producidos en tales jets son absorbidos. Neutrinos, sin embargo, pueden escapar libremente y por lo tanto estas fuentes han sido propuestas como capaces de generar el flujo difuso de neutrinos observado por IceCube. En el presente trabajo, intentamos obtener el flujo de neutrinos de diferentes familias producidos en CGRBs usando valores típicos para parametros físicos de la región de emisión. Consideramos la inyección tanto de protones como de electrones que suponemos que son acelerados por choques internos en el jet, y que presentan una dependencia con la energía del tipo ley de potencia, con un índice α = 1.8 — 2.2. Resolviendo una ecuación de transporte en el estado estacionario, obtenemos las distribuciones de estas partículas y además de piones y muones, dado que estas últimas se generan por copiosas interacciones protón-fotón (pγ) en el contexto asumido. Considerando que los CGRBs se pueden relacionar con supernovas de colapso gravitacional, suponemos que la tasa de generación de estas fuentes es proporcional a la tasa de formación estelar y podemos integrar sobre el redshift para obtener el flujo difuso total de neutrinos de cada familia. La composición de las tres familias a ser observada en la Tierra vemos que depende de la energía de los neutrinos como consecuencia de las pérdidas de energía que sufren los piones y muones. Este comportamiento podrá ser probado con instrumentos de nueva generación como IceCube-gen2.

Choked gamma-ray bursts (CGRBs) are produced when the jet generated in the center of a massive collapsing star fails to emerge from the stellar envelope, and hence the gamma rays produced in such a jet get absorbed. Neutrinos, however, escape freely, and therefore these sources have been proposed as capable of generating the diffuse flux observed by IceCube. In the present work, we aim to obtain the neutrino fluxes of the different flavors corresponding to CGRBs adopting typical values for the physical parameters of the emission region. We then consider the injection of both protons and electrons, which are assumed to be accelerated by internal shocks in the jet and present power-law dependence on the energy with an index α = 1.8 —2.2. By solving a steady-state transport equation, we obtain the particle distributions, including also pions and muons, since these particles are generated after copious proton-photon (pγ) interactions in the present context. Considering that CGRBs can be related to core collapse supernovae, we assume that the generation rate of these sources is proportional to the star formation rate, and we integrate on the redshift to obtain a total diffuse neutrino flux of each flavor. The flavor composition to be observed at the Earth is found to depend on the neutrino energy as a consequence of the losses suffered mainly by pions and muons. This will be probed with next generation neutrino instruments such as IceCube-gen2.