Апрельский выпуск 2021

Новости коллаборации KM3NeT

С 8 по 15 апреля коллаборация KM3NeT проводила на площадке ARCA монтаж пяти гирлянд. Сейчас детектор из шести гирлянд успешно набирает данные. Поздравляем! Далее читайте рассказ Симоны Бьяджи (Simone Biagi) из Южной национальной лаборатории в Катании (LNS Catania). Она была одним из пяти сотрудников KM3NeT, которые находились на борту судна: 

Всю неделю с 8 по 15 апреля проводились интенсивные работы на участке строительства KM3NeT/ARCA в Средиземном море, в 80 км от сицилийского мыса Пассеро. Главной целью операции был монтаж и подключение на глубине 3500 м соединительной коробки второго поколения, а также пяти новых регистрирующих блоков (detection units, DUs), или «гирлянд», предназначенных для регистрации нейтрино. Соединительная коробка — результат огромных усилий участников KM3NeT, которые сами проектировали и изготавливали электронику. Каркас соединительной коробки был разработан в тесном сотрудничестве с компанией MacArtney/Teledyne, специализирующейся на строительстве глубоководного оборудования. Соединительная коробка — часть подводной инфраструктуры ARCA, которая включает в себя два главных электрооптических кабеля (MEOC) для распределения питания и передачи данных на берег, а также ряд кабелей для связи соединительных коробок и регистрирующих блоков.  Каждая соединительная коробка объединяет 12 регистрирующих блоков.

Пять сотрудников KM3NeT находились на борту судна “Miss Marilene Tide”, принадлежащего компании FUGRO. Соединительная коробка и пять регистрирующих блоков ранее были погружены на борт в одном из заливов Мальты близ Ла-Валетты. Для проведения различных подводных операций: монтажа, точного позиционирования и подключения — использовался новый телеуправляемый подводный аппарат, спроектированный для работы на глубине до 4500 м. На берегу за работами следила большая команда экспертов KM3NeT, часть которых расположилась в береговой лаборатории ARCA в Портопало, а часть подключилась к процессу удаленно (в связи с пандемией и ограничениями передвижений). Эксперты внимательно наблюдали за всеми этапами работ и сразу после монтажа или присоединения каждого отдельного элемента проводили обширную функциональную диагностику. Как только подводный аппарат был поднят на борт, детектор был запущен. Он начал набирать данные, необходимые для калибровки установки и введения ее в эксплуатацию.

Пять ранее установленных регистрирующих блоков набирают сейчас физические данные совместно с первым регистрирующим блоком KM3NeT, который был запущен еще в декабре 2015 года. По прошествии этих лет, проведенных в стараниях оптимизировать технологию и создать крепкую конструкцию установки, шесть регистрирующих блоков ARCA с шестью уже функционирующими блоками ORCA образуют ядро будущей установки KM3NeT. Дальнейшие работы по строительству детектора планируется проводить в течение следующих месяцев на обеих площадках. Вот теперь строительство и ARCA, и ORCA по-настоящему началось.

Эти ссылки на видео могут быть полезными:

Монтаж соединительной коробки ARCA: https://youtu.be/QwOg3T97wv8

Монтаж регистрирующего блока ARCA: https://youtu.be/iVx_WKXtgt4 и https://youtu.be/ByYrNaZFOGA

Развертывание регистрирующего блока: https://tinyurl.com/DU-unfurling

 

image001 copy copyПять регистрирующих блоков на борту ожидают монтажа

 

image003 copyНочное «приводнение» распределительной коробки

 

image005 copyПервый регистрирующий блок опускается в воду. Пройдет около 4 часов, прежде чем он достигнет дна, где и будет установлен с помощью подводного аппарата с точностью до нескольких метров

 

image007Манипулятор подводного аппарата (справа) запускает механизм разматывания. Пусковой аппарат с оптическими модулями активируется, чтобы, вращаясь, высвободить регистрирующий блок. Пусковой аппарат будет поднят на борт позже. Процесс монтажа описан Себастьяно Айелло (Sebastiano Aiello) и др. в статье: “Deep-sea deployment of the KM3NeT neutrino telescope detection units by self-unrolling” (коллаборация KM3NeT) (2020 JINST 15 P11027 and arXiv:2007.16090)

 

 image009 copyПосле «размотки» регистрирующего блока, с помощью подводного аппарата проводится визуальный контроль от якоря на дне моря до верхнего буя. Этот кадр взят из видео формата HD. Здесь показан цифровой оптический модуль в конечной позиции на большой глубине

 

 image011 copy copyВсю неделю команда специалистов KM3NeT незамедлительно реагировала на разные ситуации, возникавшие в процессе установки регистрирующих блоков. Контроль производился из лаборатории Национального института ядерной физики (INFN) в Портопало. Из-за ограничений передвижения, связанных с КОВИД, некоторые коллеги подключались удаленно и активно принимали участие в анализе практически 24 часа в сутки семь дней в неделю. (Они там, на экране!)

 

image013 copyУченые, уставшие, но довольные, после завершения операции на борту судна перед пустыми пусковыми аппаратами, использовавшимися для установки регистрирующих блоков. Слева направо: Нунцио Рандаццо (Nunzio Randazzo), Клаус «Капитан» Ляйзмюллер (Klaus “Captain” Leismüller), Джорджио «Морской волк» Риккобене (Giorgio “Sea dog” Riccobene), Симоне Бьяджи (Simone Biagi) и Эдвард Берби (Edward Berbee)

 

image015 copyНа графиках онлайн-мониторинга любопытное событие, зарегистрированное шестью гирляндами установки ARCA. По оси х указано время, по оси у — вертикальное положение по отношению к морскому дну. Горизонтальное расстояние между регистрирующими блоками порядка 80 м.


 

Новости с Байкала

Экспедиция 2021 года успешно завершена, работают все восемь кластеров. Около 99% оптических модулей функционируют и собирают данные. За прошедшие годы на первом кластере (самом старом) вышли из строя две гирлянды целиком и несколько отдельных оптических модулей.  Нехватка времени не позволила отремонтировать первый кластер во время экспедиции этого года. Зато в очереди на ремонтные работы следующей экспедиции этот кластер будет стоять первым.


 

Новый комитет GNN

Вследствие изменений в руководстве KM3NeT и IceCube, а также с учетом предложений вновь избранных руководителей этих коллабораций, теперь в состав комитета GNN входят:

  • Игорь Белолаптиков (ОИЯИ, Дубна, Россия)

  • Роза Конильоне (Rosa Coniglione) (INFN/LNS, Италия)

  • Паскаль Койль (Paschal Coyle) (Центр физики элементарных частиц (CPPM), Франция)

  • Жан-Арыс Джилкибаев (ИЯИ, Москва, Россия)

  • Григорий Домогацкий (ИЯИ, Москва, Россия)

  • Альбрехт Карле (Albrecht Karle) (Висконсинский университет, США)

  • Ули Катц (Uli Katz) (Университет Эрлангена — Нюрнберга, Германия) — председатель комитета GNN

  • Антуан Кушнер (Antoine Kouchner) (Парижская лаборатория астрочастиц и космологии (APC)/Парижский университет, Франция)

  • Кристиан Шпиринг (Christian Spiering) (DESY-Цойтен, Германия)

  • Маурицио Спурио (Maurizio Spurio) (Болонский университет/INFN, Италия)

  • Игнасио Табоада (Ignacio Taboada) (Технологический институт Джорджии, США)

  • Юлиа Тьюс (Julia Tjus) (Рурский университет в Бохуме, Германия)

Спасибо Даррену Гранту (Darren Grant), Мауро Тайути (Mauro Taiuti) и Сигеру Ёсиде (Shigeru Yoshida) за их четырехлетний вклад в работу комитета GNN!


 

Новости коллаборации IceCube

В этом году IceCube празднует «Первое десятилетие открытий». На 18 декабря 2020 года пришлась десятая годовщина того дня, когда был установлен последний цифровой оптический модуль. А 13 мая 2021 года будет отмечаться десятилетие начала работы IceCube в его полной конфигурации. В этот же день начнутся мероприятия по празднованию десятилетнего юбилея IceCube.

image017

И хотя айскьюбовцы мечтают собраться офлайн, чтобы вместе отметить эту веху, большинство мероприятий в этом году пройдут в виртуальном формате и найдут отражение в материалах IceCube в социальных сетях и на сайте, а также в общем коллаборационном проекте памяти и в некоторых других виртуальных мероприятиях. Чтобы ничего не пропустить, следите за изменениями на официальном сайте и в социальных сетях на протяжении следующих пяти месяцев вплоть до осеннего совещания коллаборации IceCube, которое состоится в сентябре.


 

Публикации

В этом выпуске GNN Monthly будут представлены две технические статьи IceCube: одна опубликована 1 марта, вторая — еще 27 января. Последнюю я пропустил и добавляю ее описание задним числом.

Первая статья «A Convolutional Neural Network based Cascade Reconstruction for the IceCube Neutrino Observatory» была направлена в JINST и опубликована на 2101.11589.pdf (arxiv.org).

Анализ данных и оповещения в режиме реального времени требуют мощных и быстрых методов реконструкции событий. Глубокие нейронные сети могут быть чрезвычайно эффективными, и после обучения нейросетей их использование не является особенно ресурсоемким. Характеристики этого метода, основанного на глубоком обучении, идеально подходят для применения в IceCube. В статье представлен метод реконструкции, основанный на сверточной архитектуре и гексагональных ядрах (согласно шестигранной форме IceCube (вид сверху)). Метод сверточной нейронной сети (Convolutional Neural Network, CNN) устойчив к систематическим погрешностям в моделировании. Он был опробован на экспериментальных данных. По сравнению со стандартными методами реконструкции IceCube, метод CNN может улучшить точность реконструкции по углу и по энергии (см. следующие два графика), одновременно уменьшая время, необходимое для проведения реконструкции на два или три порядка (см. третий график).

 

image019

Каскадное угловое разрешение в IceCube в зависимости от энергии нейтрино для метода стандартной реконструкции и нового метода CNN. Закрашенная область и линии обозначают 20%, 50% и 80% квантили. При более высоких энергиях разрешение может быть улучшено на 50%. Систематические погрешности не учтены.

 

image021

Графики корреляции между истинной и реконструируемой выделенной энергией для стандартной реконструкции (слева) и для CNN (справа). Более подробную информацию вы найдете в статье.

 

image023

На вертикальной оси указана доля событий, для которых на одно событие требуется время больше заданного на горизонтальной оси (примечание научного редактора: в статистическом анализе это дополнительная кумулятивная функция — ccdf).

В отличие от стандартного метода реконструкции метод CNN может применяться с использованием многоядерного, а также графического процессора. Времена работы метода CNN, показанные на графике, даны для обработки на  графическом процессоре.

В статье также рассматриваются предложения по лучшему учету нестандартной геометрии IceCube.

Вторая статья “A muon-track reconstruction exploiting stochastic losses for large-scale Cherenkov detectors» опубликована на 2103.16931.pdf (arxiv.org).

Реконструкция направления мюонных треков, наиболее эффективная для IceCube, основана на методе максимального правдоподобия с использованием распределения времени прихода света на ФЭУ. Известный систематический недостаток этого метода заключается в том, что предполагается постоянная потеря энергии вдоль мюонного трека. Однако, при энергиях ˃1 ТэВ стохастические радиационные процессы, порождающие электромагнитные ливни, доминируют над выходом света от мюонов.

В статье обсуждается обобщенный анзац, при котором ожидаемое распределение времени прихода параметризуется стохастической моделью потери энергии мюонов. 

Следующий график иллюстрирует цепь восстановления треков, показывая лежащее в основе распределение предположительного времени прихода фотона (или функцию плотности вероятности (probability density function, PDF)) в соответствующей реконструкции с использованием правдоподобия. Качество аппроксимации PDF и временные требования к центральному процессору сильно увеличиваются по мере усложнения процесса реконструкции на более поздних этапах в данной цепи.

 

image025

 

Предыдущий шаг начинается с плосковолнового ядра («гауссовская PDF») и заканчивается алгоритмом SplineReco, который учитывает слоистость льда. Принцип, лежащий в основе нового алгоритма SegmentedSplineReco, продемонстрирован на следующем графике.

 

image027Схематический вид SegmentedSplineReco. Трек входящего мюона, обозначенный красным, вначале восстанавливается, как указывает черная линия, обозначающая исходную гипотезу трека для SegmentedSplineReco. Затем следует реконструкция энергии, что приводит к серии каскадов вдоль мюонного трека (желтые звездочки), расположенных в центре каждого сегмента длины ℓ. Информация об энергии каждого сегмента используется для определения конечной PDF для каждого цифрового оптического модуля.

 

Эта более реалистичная параметризация профиля потери приводит к улучшению углового разрешения мюонов до 20 % для сквозных треков и в два раза для исходных треков при сравнении с существующими алгоритмами (см. следующий график). График отражает улучшение углового разрешения для трех классов событий. Оптимизированные алгоритмом SplineReco события (слева) относятся к классу мюонных треков, которые прошли определенное количество обрезаний по качеству, основанных на этом алгоритме, что в какой-то степени имитирует события, которые обычно можно найти в конечной стадии анализа выборки, используемого в IceCube. Эти обрезания не применялись для двух других классов событий (в центре, справа), которые подразделяются на события сквозных треков и исходных треков.

image029

Зависимость медианного углового разрешения от предполагаемой энергии мюонов, вычисленной в вершине взаимодействия для трех видов моделирования всего неба в IceCube: события, оптимизированные SplineReco, сквозные треки и исходные треки. Реконструкция по SegmentedSplineReco сравнивается с результатом SplineReco (черная линия). Сравниваются три разные модели правдоподобия для SegmentedSplineReco: стандартное несгруппированное правдоподобие L (синяя линия), расширенное несгруппированное правдоподобие Lext (зеленая линия) и несгруппированное правдоподобие для первого попадания мюона на каждый цифровой оптический модуль L1st (красная линия).


 

Конференции и семинары

О конференциях и совещаниях, представляющих интерес для специалистов Глобальной нейтринной сети, вы можете узнать здесь:

https://www.mpi-hd.mpg.de/lin/events/

http://www.nu.to.infn.it/conf/,

И здесь:

Международная конференция по нейтринным телескопам очень большого объема / VLVNT (Very Large Volume Neutrino Telescope) (Валенсия, 18—21 мая)

https://indico.ific.uv.es/event/3965/

Международная конференция имени Марселя Гроссмана / Grossman Meeting (5—9 июля):

http://www.icra.it/mg/mg16/

Международная конференция по космическим лучам / ICRC (International Cosmic Ray Conference) (Берлин, 12—23 июля):

https://icrc2021.desy.de

Конференция Европейского физического общества по физике высоких энергий / EPS-HEP (European Physical Society Conference on High-Energy Physics) (Гамбург, 26—30 июля)

https://www.eps-hep2021.eu/

Международная конференция по астрофизике частиц и подземной физике / TAUP (International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics) (Валенсия, 30 августа—3 сентября):

https://congresos.adeituv.es/TAUP2021/

XXXII Международный семинар по ядерной и субъядерной физике «Франческо Романо» — школа для аспирантов и молодых ученых: http://www.ba.infn.it/otranto (7—11 июня). Мауро Тайути (Mauro Taiuti) (Генуя) и Ральф Ульрих (Ralf Ulrich) (Карлсруэ) будут лекторами этой школы.