Ноябрьский выпуск 2021

Информация о материале: Категория: Бюллетень "Глобальная нейтринная сеть"; Опубликовано: 16 декабря 2021

Новости экспериментов

KM3NeT

1) Работы в море завершены — теперь ORCA набирает данные с помощью 10 регистрирующих блоков!

Двадцать второго ноября были успешно завершены работы на морской площадке ORCA. Начались они 18 ноября. После 24-часового ожидания, вызванного неопределенностью погодных условий, корабли Castor и Janus покинули французское побережье и направились к площадке KM3NeT/ORCA. На борту корабля Castor находились семь новых регистрирующих блоков и один автономный радиомаяк. На судне Janus был размещен телеуправляемый подводный аппарат. При выполнении глубоководных работ управление аппаратом осуществлялось с корабля: проводился осмотр подводных конструкций и соединений новых регистрирующих блоков с уже смонтированной на дне частью сети.

На площадке ORCA работают два судна: Castor (на переднем плане) и Janus (на заднем плане)

Изначально было решено установить столько регистрирующих блоков, сколько позволит погода. В результате были развернуты четыре новых блока, два последних — 22 ноября. И так как в этот день погодные условия начали стремительно ухудшаться, то было принято решение работы завершить. Остальные регистрирующие блоки будут ждать своего часа на борту.

Результат работ — установка ORCA увеличилась с 6 до 10 регистрирующих блоков!

Команда ученых показывает «знак десяти» на борту корабля Castor перед поднятым со дна пусковым аппаратом

Читайте блог KM3NeT с рассказом о проведении работ в море: https://www.km3net.org/category/blog/.

Поздравляю с успешным завершением работ доблестную команду ученых, кто так самоотверженно трудился на борту обоих кораблей и на береговой станции! И теперь вперед! К возобновлению набора данных увеличившейся установкой ORCA-10!

2) Совещание коллаборации KM3NeT/ANTARES

На прошлой неделе коллаборация провела свое осеннее совещание, пятое по счету, которое пришлось организовывать в формате онлайн. Было представлено много докладов по анализу данных. К сессиям присоединились более 120 участников.

Коллаборация KM3NeT представила три организации — новых членов коллаборации:

— Университет Шарджи, Абу-Даби, ОАЭ (ранее имел статус наблюдателя);

— Физический институт имени П. Н. Лебедева, Россия;

— Католический университет Лувена (Бельгия).

Новые участники коллаборации планируют заниматься разными темами: от нейтринной астрономии до физики нейтрино, а также вносить свой вклад в строительство детектора.

Заканчивая совещание, члены коллаборации поздравили друг друга с очередным достижением: 6 месяцев успешного набора данных 6-ю регистрирующими блоками установки ARCA. По такому случаю музыканты из числа участников коллаборации исполнили фортепианную пьесу в шесть рук. Найти ее можно здесь: Online but happy collaboration meeting! - KM3NeT. Приятного просмотра!

Baikal-GVD

Новостей нет. Производство оптических модулей идет своим чередом. Если вы знаете русский или просто любите рассматривать интересные фотографии, перейдите на страницу: Нейтринный телескоп Baikal-GVD: как изучают Вселенную на Байкале (verbludvogne.ru). «Верблюд в огне» — название иркутского информационного портала. На одной из фотографий — старый деревянный дом, где раньше размещался береговой центр, и новая береговая станция.

IceCube

Двадцать четвертого октября на Южный полюс прилетел первый самолет Basler Антарктической программы США. Он вылетел с британской исследовательской станции Ротера на острове Аделаида (близ Антарктического полуострова) в Мак-Мердо. На полюсе он делал дозаправку. В Мак-Мердо на самолете улетели первые два из 39 зимовщиков.

Двое зимовщиков при посадке на Basler. Эти самолеты модели DC-3 используются со времен Второй мировой войны, правда, с той поры они были значительно модернизированы. По надписи на носу видно, что этот самолет летает уже 50 лет!

Зимовщикам лаборатории IceCube Мартину и Джошу 28 октября сделали прививки от COVID-19 (в ноябре прошлого года вакцины еще не было). Новые зимовщики Морено и Cелас прилетели 4 и 5 ноября.

Вакцинированные Мартин и Джош

Хорошие новости о проекте модернизации IceCube Upgrade: a) На прошлой неделе из Мадисона на Южный полюс была отправлена вторая партия груза. b) Экспертная группа завершила проверку материально-технического обеспечения и признала численность группы ученых достаточной, а уровень подготовки —высоким. c) Группа из Мадисона разрабатывает совместно с Национальным научным фондом США (NSF) план обеспечения материально-технической базы. Проектный отдел надеется на согласование проведения трех дальнейших полевых сезонов (начиная с ноября 2022 года). Это позволит установить все семь гирлянд (начиная с декабря 2024 года). d) Что не менее важно: производство в Японии оптических модулей типа D-Egg завершено!

Хорошие новости о проекте модернизации IceCube-Gen2: Опубликован доклад Astro2020 Астрономического общества США с планами развития в области астрономии и астрофизики на ближайшие 10 лет. Модернизации IceCube-Gen2 там отводится значимое место. Текст доклада можно найти здесь: Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020 (Astro2020) | National Academies.

Некоторые выдержки:

Экспертная группа видит благоприятную возможность значительно расширить область потенциальных открытий в астрономии с помощью активной и широкой программы многоканальных исследований, состоящей из трех компонентов:

Нейтринная программа: масштабные инвестиции Национального научного фонда США (в рамках программы создания крупного научного оборудования) в модернизацию IceCube-Gen2 с целью разложения яркого диффузного фона жесткого спектра в диапазоне ТэВ―ПэВ, обнаруженного установкой IceCube, на отдельные источники и с целью детектирования сигналов более высоких энергий.
Программа по гравитационным волнам и программа по гамма-излучению: см. полный текст доклада.

О необходимости развития технологий для регистрации сигналов при энергиях ПэВ―ЗэВ диапазона:

Для создания обсерваторий с высоким потенциалом открытий в области астрофизических нейтрино широкого энергетического диапазона, экспертный совет поддерживает расширение этой области исследований при лидирующей роли США. Центральным элементом может стать установка IceCube-Gen2. И, по сравнению с IceCube — одним из крупнейших, самых успешных и наиболее заметных объектов инвестиций Национального научного фонда, — ее чувствительность могла бы быть значительно увеличена при почти том же ежегодном финансировании. IceCube-Gen2 предназначена для разложения обнаруженного IceCube диффузного фона диапазона ТэВ―ПэВ на отдельные источники и для расширения диапазона детектируемых сигналов высоких энергий вплоть до уровня ЕэВ―ЗэВ. Кроме того, как говорилось в Разделе L.4.4, экспертный совет поддерживает развитие технологий, которые могли бы привести в будущем к возникновению еще более крупных экспериментов в этом диапазоне энергий.

А для энтузиастов смелых проектов будущего в докладе представлен следующий график... ?

Публикации

Коллаборация IceCube направила статью «Search for Quantum Gravity Using Astrophysical Neutrino Flavour with IceCube» в архив электронных публикаций (2111.04654.pdf (arxiv.org)).

Читатели бюллетеня GNN Monthly, вероятно, помнят работу «Neutrino Interferometry for High-Precision Tests of Lorentz Symmetry with IceCube», опубликованную в журнале Nature Phys. 14, 961–966 (2018) (1709.03434.pdf (arxiv.org)). В ней атмосферные нейтрино высоких энергий из данных IceCube использовались для поиска аномальных нейтринных осцилляций как сигналов нарушения лоренцевской инвариантности (см. следующий рисунок). Нарушение симметрии Лоренца может быть вызвано новой структурой пространства-времени на масштабах квантовой гравитации. Эти эффекты могут быть сильнее на больших расстояниях (вертикальные нейтрино), чем на малых (горизонтальные нейтрино). Никаких эффектов за рамками стандартного предположения об осцилляциях найдено не было. Были получены пределы на операторы нарушения лоренцевской инвариантности в гамильтониане.

Вместо атмосферных нейтрино в настоящем анализе используется выборка нейтрино, где доминируют космические нейтрино, которые на своем пути подвергаются влиянию эффектов квантовой гравитации.

В этой статье предполагается, что астрофизические нейтрино высоких энергий (показаны длинной стрелкой) от 60 ТэВ до 2 ПэВ излучаются далекими высокоэнергетичными источниками. Распространение нейтрино может подвергаться воздействию дефектов пространства-времени, которые можно рассматривать как эфироподобные среды в вакууме. В общем у этих дефектов есть направления (обозначены красными стрелками), но в данном анализе они считаются изотропными.

Предполагается, что эффективный оператор Гамильтона с учетом эффектов квантовой гравитации имеет вид

Первый член гамильтониана описывает массу нейтрино (в предположении прямой иерархии масс нейтрино), другие члены являются возможными операторами из области «новой физики» с разной энергетической зависимостью. Все члены представляют собой комплексные матрицы 3 х 3 (в соответствии с тремя ароматами нейтрино). Решение этого гамильтониана описывает эволюцию нейтринных ароматов. Так как энергия космических нейтрино, зарегистрированных IceCube, намного выше, чем энергия ускорительных нейтрино, могут быть достигнуты верхние пределы для членов Е² и Е³.

Данный анализ накладывает ограничения на члены Е³. Всё начинается c треугольника ароматов астрофизических нейтрино, полученном в статье «Measurement of Astrophysical Tau Neutrinos in IceCube’s High-Energy Starting Events» (2020) (https://arxiv.org/pdf/2011.03561.pdf), о которой мы говорили в бюллетене GNN Monthly год назад.

Рисунок внизу взят из обсуждаемой здесь статьи о квантовой гравитации. Он воспроизводит контуры, соответствующие уровням достоверности 68% и 95% из анализа тау-нейтрино 2020 года (синяя сплошная и штриховая линии).

Область розового цвета обозначает ожидаемое отношение ароматов от стандартного рождения астрофизических нейтрино, то есть все параметры \(\mathring{a}^{(3)} ... \mathring{c}^{(6)}\) исчезают. Три пустых кружка обозначают стандартные физические составы на Земле для отношения ароматов 1:0:0, 2:1:0 и 1:0:0 в источнике. Если параметры \(\mathring{c}^{(6)}\) плавно увеличиваются от 0 до 1, то отношения ароматов движутся вдоль цветных линий, останавливаясь при с⁽⁶⁾=1 в кружках с точками в центре (см. объяснение в подписи к рисунку). Из показанных контуров были получены рекордные пределы на различные параметры с⁽⁶⁾ для «новой физики» (чтобы узнать их величины и чтобы сравнить их с предыдущими пределами, читайте статью).

Коллаборация IceCube разместила в архиве электронных публикаций статью из журнала Nature о наблюдении нейтринного события с энергией резонанса Глэшоу (Nature 591 (2021) 220): 2110.15051.pdf (arxiv.org). Теперь она доступна всем.

Так как об этой статье из Nature мы уже в GNN Monthly говорили, я просто представлю самый значимый график этой статьи. В верхней части он демонстрирует плотность апостериорного распределения вероятности видимой энергии для этого события, а в нижней части — ожидаемое по модели Монте-Карло распределение событий по видимой энергии адронов из распада W-бозона (GR h., синяя линия), электрона из распада W-бозона (GR e, оранжевая линия), взаимодействий по каналу заряженного тока (СС; красная линия) и взаимодействий по каналу нейтрального тока (NC; зеленая линия) для непрерывного времени наблюдений 4,6 лет в предположении отношения анти- v : v = 1 : 1, отношения ароматов 1 : 1 : 1 на Земле, астрофизического спектра, измеренного IceCube, и в предположении сечений по Купер-Саркар, Мерчу и Саркару.

Измеренная энергия события составляет 6,05 ± 0,72 ПэВ, а p-значение по отношению к фонам — порядка 0,01. Число ожидаемых событий Глэшоу для спектрального индекса -2,5 и нормировки 2,3 × 10⁻¹⁸ ГэВ⁻¹ см⁻² с⁻¹ ср⁻¹ составляет 1,55.

Следующие три статьи коллаборации IceCube появились в архиве электронных публикаций 22 ноября.

«Search for GeV-scale Dark Matter Annihilation in the Sun with IceCube DeepCore» (2111.09970.pdf (arxiv.org)). Солнце представляет собой замечательный объект для изучения спинозависимого рассеяния частиц темной материи на протонах из-за значительного количества водорода в его составе. Частицы темной материи могут упруго взаимодействовать с солнечными ядрами, их можно захватить и замедлить до тепловых скоростей. Захваченная темная материя может аннигилировать в частицы Стандартной модели, в том числе в наблюдаемый поток нейтрино. В статье представлены результаты поиска низкоэнергетичных нейтрино (<500 ГэВ) в соответствии с направлением движения Солнца из семилетнего набора данных IceCube. Впервые используются новые оптимизированные обрезания для расширения чувствительности IceCube к массе темной материи вплоть до 5 ГэВ. Никакого превышения нейтрино от Солнца не обнаружилось, что исключает захват при спинозависимом рассеянии частиц темной материи на протонах с сечением вплоть до нескольких 10^-41 см² (в предположении существования равновесия с аннигиляцией в нейтрино/антинейтрино для масс темной материи от 5 ГэВ до 100 ГэВ). Для аннигиляции темной материи напрямую в нейтрино/антинейтрино существуют самые жесткие ограничения при энергиях уровня ГэВ:

Статья «A search for neutrino emission from cores of Active Galactic Nuclei» появилась в архиве электронных публикаций: 2111.10169.pdf (arxiv.org). Источники почти всех астрофизических нейтрино высоких энергий, зарегистрированных IceCube, остаются неизвестными. Лишь блазар TXS 0506+056, источник гамма-излучения, может быть отождествлен с рождением нейтрино, хотя некоторые исследования предполагают, что нейтрино из всех блазаров с гамма-излучением могут составлять только малую долю от общего астрофизического потока. Настоящая статья исследует рождение нейтрино высоких энергий в центрах активных ядер галактик (АЯГ), вызванное ускоренными космическими лучами из области аккреционного диска. Анализ правдоподобия основан на данных, собранных IceCube за восемь лет, и направлен на поиск кумулятивного нейтринного сигнала по трем специально составленным выборкам данных об АЯГ (частично перекрывающих друг друга). Чтобы убедиться в правомерности анализа только этих выборок, читайте статью. На следующем рисунке изображена область перекрытия.

Предполагается, что испускание нейтрино пропорционально светимости аккреционного диска, вычисленного по потоку мягкого рентгеновского излучения. Вслед за наблюдаемым потоком мягкого рентгеновского излучения были выбраны объекты для трех выборок, исходя из их радиоизлучения и свойств инфракрасного излучения. Для самой крупной выборки этого исследования (АЯГ с инфракрасным излучением) найдено превышение высокоэнергетичных нейтринных событий относительно изотропного фона атмосферных и астрофизических нейтрино, соответствующее полученной (post-trial) значимости в 2,60 ? (значимость остальных двух выборок лишь 1,6 и 1,0 ?). В предположении степенного спектра спектральный индекс наилучшего согласия для выборки АЯГ с инфракрасным излучением равен 2,03 (+0,14; -0,11), что согласуется с ожиданиями на основе ускорения частиц в астрофизических источниках (см. рисунок).

Рисунок предполагает, что при энергии 100 ТэВ от 27% до 100% астрофизических нейтрино, зарегистрированных IceCube, рождаются от ускорения частиц в центре АЯГ.

Статья «Improved Characterization of the Astrophysical Muon-Neutrino Flux with 9.5 Years of IceCube Data» опубликована в электронном архиве: 2111.10299.pdf (arxiv.org).

В измерениях используется выборка высокой чистоты, состоящая из 650 000 треков мюонов, рожденных в нейтринных взаимодействиях. В ней используются экспериментальные данные, полученные из Северного полушария неба за 9,5 лет. По сравнению с прошлыми работами данные измерения были улучшены с помощью увеличения объема выборки событий и тестирования модели за пределами простых гипотез степенной зависимости. Для рассмотрения систематических неопределенностей и атмосферных фоновых потоков используется усовершенствованный подход на основе последних моделей. Параметризация наилучшего согласия степенной модели потоков частиц для результатов в астрофизическом энергетическом спектре приводит к потоку 1,44± 0,25 × 10^-18 ГэВ^-1 см^-2 с^-1 ср^-1 на уровне 100 ТэВ и спектральному индексу 2,37±0,09 с ограничениями по энергетическому диапазону от 15 ТэВ до 5 ПэВ. Спектральный индекс чуть больше спектрального индекса, полученного пять лет назад: 2,13±0,13 (но сопоставим с ним).

Для подгонки данных использовалась не только степенная модель спектров частиц, но и другие модели, включая степенную модель со спектральным обрезанием при высоких энергиях, лог-параболическую модель, некоторые, взятые из литературы предсказания потоков частиц, зависимые от типа источника, и независимую от модели спектральную развертку (см. следующий рисунок).

Данные хорошо согласуются с гипотезой степенной модели потоков частиц. Интересно, что спектры со смягчением выше одного ПэВ являются статистически более предпочтительными на уровне двух сигм.

Коллаборация KM3NeT направила статью «A time calibration device for the KM3NeT neutrino telescope» в журнал Microsystems & Nanoengineering. Статья опубликована в архиве электронных публикаций: https://arxiv.org/pdf/2111.00223.pdf.

Эксперименту KM3NeT необходима относительная временная синхронизация фотоумножителей порядка 1 нс. Это обеспечит требуемое угловое разрешение детектора. Так как количество оптических модулей велико, приоритетом является снижение стоимости различных систем KM3NeT. С этой целью был создан недорогой радиомаяк Nanobeacon. Сегодня произведены уже более 600 таких устройств. В статье описываются особенности конструкции радиомаяка, его производства и эксплуатации, а также генерируемые световые импульсы, угловой профиль, форма импульса (см. ниже) и профиль испускания волн.