Ноябрьский выпуск 2020

Информация о материале: Категория: Бюллетень "Глобальная нейтринная сеть"; Опубликовано: 04 декабря 2020

Новости коллаборации ANTARES

Как уже сообщалось в августовском номере бюллетеня Глобальной нейтринной сети (ГНС), береговая станция потеряла связь с одной из гирлянд установки ANTARES (она бесперебойно работала с 2007 года, а распределительная коробка была присоединена к гирлянде в 2001 году), поэтому ANTARES пришлось набирать данные, используя оставшиеся 10 гирлянд.

Так как установку разберут, скорее всего, в 2021 году, работы по устранению этой неполадки не были запланированы. И всё же, в ноябре коллаборация воспользовалась помощью подводной лодки Victor, которая занимается гидрологическим мониторингом, и неработающее оборудование было отремонтировано. Линию удалось переподключить к детектору, поэтому сейчас установка ANTARES набирает данные, снова используя все 11 гирлянд!

С 7 по 11 декабря Лаборатория астрочастиц и космологии (APC) и Парижский университет (Université Paris) совместно организуют онлайн-семинар «Космические лучи и нейтрино в эпоху многоканальных исследований» (Cosmic Rays and Neutrinos in the Multi-Messenger Era / https://indico.in2p3.fr/event/20789/overview). Цель семинара — объединить сообщества, которые изучают космические лучи и нейтрино высоких энергий, и осветить экспериментальные, теоретические и феноменологические аспекты их исследований. В дополнение к детальному разбору теоретических моделей рождения космических лучей и астрофизических нейтрино на семинаре будут рассмотрены последние экспериментальные данные, а также перспективы развития на следующее десятилетие. Каждую сессию будет завершать общее обсуждение представленных результатов. Для аспирантов и молодых ученых будут организованы две постерные сессии.

Новости коллаборации Baikal-GVD

Со времени последней Международной конференции по космическим лучам (ICRC) Байкальская коллаборация не публиковала на arXiv свои результаты, так как обработка первых, полученных телескопом Baikal-GVD данных всё еще продолжается. И вот недавно была опубликована статья Дмитрия Заборова из ИЯИ РАН (Москва) под названием «High-energy neutrino astronomy and the Baikal-GVD neutrino telescope” ( https://arxiv.org/pdf/2011.09209.pdf). В статье дается научное обоснование проекта Baikal-GVD, описывается план строительства установки и приводятся первые результаты, полученные еще в начальной конфигурации детектора (сейчас телескоп насчитывает около 2000 оптических модулей на 56 гирляндах). Эти результаты включают в себя распределение по зенитному углу для первой выборки восходящих мюонов от нейтринных взаимодействий, а также небольшую выборку энергетических каскадных событий, в которой одно из событий приходит из-под горизонта и обладает энергиями 91±10 ТэВ. Так оно становится очевидным кандидатом на роль нейтрино астрофизического происхождения (см. предыдущие выпуски бюллетеня ГНС).

Подготовка к Байкальской экспедиции по развертыванию телескопа с февраля по апрель идет полным ходом. Все оптические модули для двух новых кластеров уже собраны, и половина из них уже прибыла в Байкальск. Также были полностью собраны и электронные модули (контроллеры секций, гирлянд и кластеров), они проходят сейчас долгосрочные испытания в Москве.

Осеннее совещание коллаборации (в онлайн-формате) пройдет с 30 ноября по 4 декабря.

Новости нейтринной обсерватории IceCube

На полюс прибыл первый зимовщик сезона 2021 года! После более чем недельного опоздания, вызванного плохими погодными условиями и постоянно отменявшимися рейсами, первый из двух зимовщиков прибыл на Южный полюс. Мартин Вольф (Martin Wolf) прилетел 24 ноября, и есть надежда, что и Джош Вейч-Михаелис (Josh Veitch-Michaelis) появится здесь на этой неделе.

Тем временем, в начале ноября в Мадисоне открылся 32-й ежегодный Фестиваль света Holiday Fantasy in Lights. На фото внизу вы легко можете узнать лабораторию IceCube, но расположилась она не на полюсе, а в парке Олин (Olin Park) в Мадисоне.

Новости коллаборации KM3NeT:

Вторая распределительная коробка была успешно подключена к глубоководной сети KM3NeT/ORCA. Она был установлена на глубине 2450 м в пределах метра от расчетной точки.

Распределительная коробка питает гирлянды (на языке коллаборации — «детекторные блоки») и распределяет/соединяет оптическое волокно, используемое для передачи данных. Береговой кабель («главный электрооптический кабель» — MEOC) обеспечивает входное напряжение переменного тока в 3300 В на отдельный разъем. В распределительном блоке оно переходит в 400 В переменного тока и используется для питания гирлянд. Излишки энергии уходят в воду. Восемь выходных разъемов распределительной коробки позволяют подключать под водой и гирлянды, и аппаратуру Службы геофизического и гидрологического мониторинга (ESS) посредством так называемых кабелей с внутренними каналами связи. Четыре гирлянды соединены шлейфовым подключением c отдельным разъемом, таким образом, к одной распределительной коробке могут быть подключены до 32 гирлянд. Распределительная коробка была готова уже весной 2020 года, но из-за ограничений, связанных с пандемией, ее подключение было отложено вплоть до настоящего времени.

Монтаж проводился с 16 по 24 октября. Сама по себе операция достаточно сложная, поэтому для ее реализации понадобилось три корабля:

Крупное судно-кабелеукладчик Raymond Croze компании Orange Marine Company (подробнее: Raymond Croze - Orange Marine), которое устанавливало распределительную коробку и осуществляло соединение основных электрооптических кабелей на входе и выходе распределительной коробки.
Судно Castor компании Foselev Marine Company, которое отвечало за выходную часть главного электрооптического кабеля, который в будущем будет подключен к специальной распределительной коробке Службы мониторинга ESS.
Судно Onyx также компании Foselev Marine Company, которое обеспечивало точное акустическое позиционирование распределительной коробки во время ее монтажа на морском дне.

Группа Марсельского центра физики частиц с собранной и протестированной распределительной коробкой.

Три судна принимают участие в операции.

Распределительная коробка, поднятая над бортом.

Во время морской операции выходная часть главного электрооптического кабеля была перенесена с Castor на Raymond Croze для последующего подсоединения (в первый раз команда ANTARES/ORCA проводила эти работы самостоятельно). Затем команда Castor стала погружать выходную часть кабеля одновременно с распределительной коробкой. В целом, были выполнены три подключения. Каждое из них требовало сращения 36 оптических волокон, что заняло 24 часа, включая герметизацию места соединения и его рентгеновский контроль. Нужно упомянуть и вынужденный 36-часовой простой из-за неблагоприятных погодных условий.

Установка распределительной коробки.

Новая распределительная коробка удваивает возможности подключения гирлянд глубоководной сети ORCA. Для того чтобы завершить развертывание этой сети, понадобятся еще две распределительные коробки. Они будут подсоединены к главному электрооптическому кабелю телескопа ANTARES, после того как последний будет разобран, и выходная часть главного электрооптического кабеля будет перенаправлена на установку KM3NeT/ORCA.

Актуальная конфигурация установки KM3NeT/ORCA: N1 — первая распределительная коробка. К ней присоединены шесть гирлянд ORCA. Кабель 1 (“MEOC-1”) соединяет N1 с берегом. N2 — новая распределительная коробка. Кабелем 2 станет переброшенный с ANTARES береговой кабель. MII, BJS, NSVT — приборы Службы мониторинга ESS.
Миссия выполнена! Довольные сотрудники Марсельского центра физики частиц слева направо: Мишель Бийо (Michel Billault), Паскаль Койл (Paschal Coyle), Патрик Ламар (Patrick Lamare), Мишель Ажерон (Michel Ageron), Дамьен Дорник (Damien Dornic).

Посмотрите короткое видео, снятое с высоты птичьего полета. Оно рассказывает о проведенной морской операции.

Чудесная идея и замечательные результаты! Коллаборация KM3NeT объявила конкурс рисунков «Нарисуй мне нейтрино!». И вот только что были объявлены победители. На конкурс было прислано более 500 рисунков из 16 стран (стран-участниц и стран-наблюдательниц коллаборации KM3NeT): Австралии, Эквадора, Франции, Грузии, Греции, Италии, Марокко, Нидерландов, России и Испании, а также из Бельгии, Болгарии, Канады, Индии, Швейцарии и Великобритании.

Присланные работы были выполнены в разных техниках с использованием разных материалов. Конкурсный отбор проводился с учетом оригинальности, креативного подхода и гармонии с известными свойствами нейтрино и его происхождением.

Были выделены три номинации для участников разных возрастных групп:

Подрастающие ученые размышляли о том, как выглядит электронное нейтрино.
Молодежь, уже немного знакомая с физикой, создавала образ мюонного нейтрино.
Взрослым надо было прикоснуться к тайне тау-нейтрино.

Результаты конкурса были объявлены на онлайн-церемонии, в которой принимали участие более 150 человек. Рисунки двух победителей в каждой номинации, а также работы, отобранные для других конкурсов, стали частью онлайн-экспозиции в Виртуальном нейтринном художественном центре (hub.link/ZZwzhf7).

Этим конкурсом коллаборация KM3NeT хотела привлечь внимание широкой публики к науке, лежащей в основе проекта KM3NeT. 60% участников впервые услышали про нейтрино, а 86% из них открыли для себя существование проекта KM3NeT.

Подробнее о конкурсе, правилах и победителях на: http://wos.ba.infn.it. Вот лишь два рисунка-победителя. Эти и другие рисунки вы можете найти здесь: Results – Draw me a neutrino (infn.it).

2-е место. Международный конкурс, номинация «Мюонное нейтрино»: «Рождение моего космического мюонного нейтрино» Марии Н. Павлопулу (Maria N. Pavlopoulou) (Греция). Рисунок в технике Spray Art.

1-е место. Международный конкурс, номинация «Тау-нейтрино»: «Лишь раз в жизни» Вс. сай-Картика (Vs. sai Karthik), Индия.

Публикации

1 Коллаборация IceCube направила в журнал Journal of Cosmology and Astroparticle Physics статью “Search for sub–TeV neutrino emission from transient sources with three years of IceCube data” (см. https://arxiv.org/abs/2011.05096). Нестационарные источники нейтрино в основном испускают нейтрино в рамках относительно короткого временного окна. Это первый результат IceCube по нестационарности, охватывающий все ароматы нейтрино с энергиями в диапазоне 1-100 ГэВ.

Для анализа используется метод отбора событий GRECO (GeV Reconstructed Events with Containment for Oscillation), разработанный для (опубликованного) анализа появления тау-нейтрино. На рисунке внизу показана зависимость эффективной площади от энергии.

Усредненная по всему небу (4π) эффективная площадь регистрации нейтрино для GRECO-отбора событий. Фиолетовая линия — эффективная площадь для предыдущего анализа нестационарных явлений низких энергий по данным IceCube, предназначенная только для νµ.

При анализе использовались нейтринные данные, собранные за период с апреля 2012 по май 2015 в DeepCore (насыщенной аппаратурой внутренней области IceCube), в которых отбирались нейтрино низких энергий с похожими энергиями и направлениями, что указывало бы на их излучение неким нестационарным астрофизическим источником. Следует отметить, что точность по направлению составляет всего лишь 10°-40°, так что доминирующим фактором для отсечения фона является совпадение по времени (для гамма-всплесков была выбрана временная полоса 100 с).

Главными кандидатами в нестационарные источники являются гамма-всплески (ГВ). Согласно некоторым сценариям, ГВ могут испускать низкоэнергетические нейтрино (~10-100 ГэВ) без обычных гамма-лучей. Такое возможно, например, когда релятивистские струи ГВ «заглушены» плотным облаком вещества до того, как становятся видимыми благодаря появлению ярких гамма-лучей; даже если гамма-лучам этого не удается, нейтрино (особенно низкоэнергетические) способны вырваться наружу и достигнуть Земли.

Трехлетние наблюдения не обнаружили сигнатуры нестационарного процесса испускания нейтрино, что привело к установлению верхнего предела на объемную частоту (т.е. количество нестационарных явлений в объеме пространства в год) 700-2300 Гпк⁻³г⁻¹ для источников, имеющих субфотосферный энергетический спектр со средней энергией 100 GeV и болометрической энергией 10⁵² эрг.

Новые верхние пределы на объемную частоту нестационарных точечных источников нейтрино в зависимости от их болометрической нейтринной энергии, полученные из указанного анализа. Для сравнения представлены предсказания моделей гамма-всплесков с высокой и низкой светимостью (Murase et al. 2013; Liang et al. 2007). Голубые полосы — зависимости верхних пределов от склонения. Результаты на рисунке получены для источников со средней энергией 20 ГэВ.

Из рисунка видно, что предел все еще отличается в 3-5 раз от самых оптимистических модельных предсказаний для ГВ. Дальнейшее усовершенствование методов анализа, использование данных за период свыше трех лет и особенно запланированная компактификация области DeepCore (модернизация эксперимента IceCube (“IceCube Upgrade”)) определенно позволят проверить предсказание для ГВ с высокой светимостью (красная звездочка на рисунке). Более того, будучи оптимизирован для конкретного класса ГВ, этот анализ чувствителен еще и ко многим другим нестационарным излучателям нейтрино, которые, возможно, реально существуют в суб-ТэВной области, но еще не предсказаны теоретически.

В настоящее время осуществляется адаптация метода для проведения анализа в реальном времени. Это послужило бы полезным дополнением для установленных на Южном полюсе систем оповещения в реальном времени о высокоэнергетических событиях. Существующая система оповещения уведомляет все обсерватории о каждой регистрации на IceCube кандидатов в высокоэнергетическое (ТэВ–ПэВ) нейтрино, отвечающих определенным критериям; указанная адаптация аналитического метода позволит довести энергетический диапазон срабатывания системы оповещения до 10 ГэВ, открыв тем самым новый, неисследованный энергетический режим для последующих наблюдений в реальном времени.

2 Читатели бюллетеня ГНС запомнят работу “Measurement of the multi-TeV neutrino interaction cross-section with IceCube using Earth absorption,” размещенной в архиве: https://arxiv.org/abs/1711.08119 и опубликованной в журнале Nature 22 ноября 2017 г. В этой работе были проанализированы 11 000 событий восходящих мюонов, инициированных нейтрино, для изучения затухания материнских нейтрино при прохождении через Землю и для оценки их сечения. Вскоре после появления этой работы Маурицио Бустаманте (Mauricio Bustamante) и Эми Конноли (Amy Connolly) использовали опубликованные данные о событиях HESE с энергиями >18 ТэВ для определения дифференциальных сечений (или скорее интегрального сечения, как в публикации в журнале Nature), см. 1711.11043.pdf (arxiv.org) и рисунок ниже.

Сечение нейтрино–ядерного взаимодействия по каналу заряженного тока, усредненное для нейтрино или антинейтрино, по различным предсказаниям (линии) в сравнении с результатами измерений из этой работы (звездочки). Низкоэнергетическое глобальное среднее (штриховая светло-серая линия) линейно зависит от Eν ниже ∼10 ТэВ. Для наглядности показано предсказание модели больших дополнительных измерений (штриховая темно-серая линия, Alvarez-Muniz, Halzen, Han, Hooper, Phys. Rev. Lett. 88, 021301 с поправками для соответствия современным стандартным предсказаниям сечения ниже 1 ПэВ. (Рисунок взят из работы Бустаманте и Конноли.)

В новой работе “Measurement of the high-energy all flavor neutrino-nucleon cross section with IceCube” (https://arxiv.org/abs/2011.03560), направленной в Phys. Rev. D, нейтринное сечение в диапазоне от 60 ТэВ до 10 ПэВ определялось по выборке высокоэнергетических стартовых событий (high-energy starting events, HESE) из данных IceCube за 7,5 лет.

Полученный результат сгруппирован по энергии и получен с использованием как байесовской, так и частотной статистики. Как и в анализе 2017 г., сечение оказалось в согласии с предсказаниями Стандартной модели. Информация об ароматах включена явно с помощью уточненных топологических классификаторов. Это первое такого рода измерение с использованием трех топологий в качестве наблюдаемых.

Зависимость сечения нейтрино–нуклонного взаимодействия от энергии. Черная и синяя линии соответствуют двум предсказаниям на основе формализма Стандартной модели. Серая область показывает результат измерения IceCube на основе треков восходящих мюонов (опубликовано в Nature в 2017 г.).

Большая ошибка вызвана в основном ограниченной статистикой. Модернизация обсерватории IceCube до IceCube-Gen2 существенно улучшит положение дел.

3 На сайте https://arxiv.org/2011.03561 выложена работа “Measurement of Astrophysical Tau Neutrinos in IceCube’s High-Energy Starting Events”. Авторы использовали всё тот же 7,5-летний набор данных по событиям HESE, что и в прежде упомянутой работе, для поиска сигнатур событий «двойного взрыва» (double bang), где первый взрыв происходит в результате взаимодействия тау-нейтрино по каналу заряженного тока, а второй – в результате распада тау-лептона, образовавшегося в предыдущем взаимодействии. Были обнаружены два события-кандидата, вызванных астрофизическими тау-нейтрино с вероятностью ∼98% и ∼76%. Оба события неоднократно демонстрировались на различных конференциях. В указанной работе был устранены остававшиеся неопределенности. Ниже представлены два основных рисунка из данной работы.

Хорошо известное двухкаскадное событие (возникшее с вероятностью 98% вследствие взаимодействия тау-нейтрино). Две его вершины обозначены коричневыми кружками (на расстоянии 17 м), стрелки указывают направление. Пять временных диаграмм вокруг картины события демонстрируют двухимпульсную форму сигнала.

Измеренный ароматовый состав HESE-событий из данных IceCube с идентификатором по тройной топологичесой классификации и расширенный многомерный анализ двойных каскадов (черные звезда и линии). Контурами обозначены доверительные интервалы 1σ и 2σ. Затушеванные области показывают ранее опубликованные результаты, полученные в отсутствие прямой чувствительности к тау-нейтринному компоненту. Указаны ароматовые составы, ожидаемые от различных механизмов рождения астрофизических нейтрино, а также полный доступный диапазон ароматовых составов в предположении стандартного 3-ароматового смешивания.

Окончательное результат измерения ароматов астрофизических нейтрино находится в согласии с ожиданиями, расходится со сценарием исчезающего потока астрофизических тау-нейтрино со значимостью 2.8σ, и согласуется с отношением ν_e : ν_µ: ν_τ = 1 : 1 : 1.

4 Еще одна публикация на основе 7,5-летней выборки HESE-событий: “The IceCube high-energy starting event sample: Description and flux characterization with 7.5 years of data”. Это обширная 57-страничная работа, выложенная на https://arxiv.org/abs/2011.03545. В ней еще раз анализируется выборка HESE-событий с использованием дополнительных данных за 4,5 года, новых моделей глетчерного льда и усовершенствованного подхода к рассмотрению систематики. В работе подробно описывается выборка, рассматриваются самые последние измерения потока астрофизических нейтрино и обсуждается вопрос о поиске их источников. Там также продемонстрирована согласованность указанных наблюдений с конкретными моделями изотропного потока, предложенными в литературе, и с общими сценариями степенного типа. Если предположить, что ν_e : ν_µ: ν_τ = 1:1:1 и потоки нейтрино и антинейтрино одинаковы, то спектр астрофизических нейтрино оказывается в согласии с ненарушенным степенным законом при предпочтительном значении спектрального индекса 2.87±0.20 для доверительного интервала 68,3%.

Вот несколько иллюстративных рисунков из этой работы.

Воздействие систематических неопределенностей на единые степенные параметры (астрофизический спектральный индекс, слева, и нормировка, справа). Воздействие (горизонтальная ось) определяется как изменение параметра относительно его неопределенности при изменении одного ограниченного параметра. Оранжевые полосы показывают эффект увеличения значения ограниченного параметра от максимального апостериорного значения на одно стандартное отклонение. Оно, в свою очередь, определено как интервал, содержащий ограниченный параметр с вероятностью 68,3%. Фиолетовые полосы показывают эффект соответствующего уменьшения данного параметра. Нормировка потока прямых нейтрино (prompt) и эффективность оптического модуля (DOM) наиболее сильно влияют на определение астрофизических параметров. Влияние всех других систематических неопределённостей сводится к величине существенно меньшей, чем 0.5σ (см. работу, если самообъясняющих обозначений недостаточно).

Хорошо известная подгонка трех компонент в распределении косинуса измеренного зенитного угла: астрофизические и атмосферные нейтрино плюс фоновый вклад атмосферных мюонов.

Внизу: то же, но с попыткой подгонки без астрофизических нейтрино. Это требует огромного вклада «прямых» атмосферных нейтрино из распадов чарма, но так и не позволяет описать угловое распределение (форма распределения чарма фиксирована, нормировка подогнана).

Распределение выделенной энергии, также согласованное в предположении нулевого потока астрофизических нейтрино и фиксированной формы спектра прямых нейтрино. Большая часть распределения, за исключением трех наиболее энергичных событий (Ernie, Bert and Bigbird), может быть охвачена мгновенными атмосферными нейтрино. Это указывает на важность углового распределения, показанного выше, для вывода о существовании потока космических нейтрино.

На последнем рисунке представлены контурные диаграммы для согласованных параметров в предположении одностепенного закона для астрофизического потока.

Контурные графики для согласованных параметров в предположении одностепенного закона для астрофизического потока. Показаны вероятностные графики для прямого потока в зависимости от показателя степени и нормировки (внизу; справа: проекция на поток прямых нейтрино), нормировка астрофизического потока в зависимости от показателя степени (в середине), проекция на показатель степени астрофизического потока (вверху). Самые внутренние контуры показывают двумерную высокую апостериорную область плотности 68,3%, а самые внешние – высокую апостериорную область плотности 95,4 %. Шкала серости гистограммы внутри контуров показывает вероятность в произвольном масштабе. См. подробности в работе.

В работе даны аналогичные рисунки для спектра с двухстепенным законом (с параметрами «жесткий/мягкий поток» и «жесткий/мягкий показатель степени») и для сравнения между собой различных моделей источников.