GNN Monthly

Выпуск сентябрь/октябрь 2020

Новости комплекса Байкал–GVD

Байкальская коллаборация готовится к тому, чтобы во время будущей экспедиции установить два кластера с 288 оптическими модулями на каждом. Хотя в связи с COVID-19 работы по сборке модулей немного задерживаются, оптические и управляющие модули в количестве несколько большем, чем для одного кластера, уже готовы. В настоящее время управляющие модули проходят долгосрочные испытания. 

Данные, полученные в летний период, позволили уточнить представления о восходящих мюонах, образовавшихся в реакциях атмосферных нейтрино. На рисунке внизу показано распределение по зенитному углу 57 кандидатов в нейтрино на основе данных, полученных за 323 дня работы одного кластера в периоды низкого светового фона. Это находится в хорошем соответствии с ожиданиями, полученными методом Монте-Карло (54,3 события от атмосферных нейтрино и <1 неверно восстановленного нисходящего мюона). 

Отметим небольшое число событий с направлением, отвечающим движению нейтрино снизу вверх около вертикали, что обусловлено небольшим диаметром кластера. Горизонтальных событий произошло больше, но их трудно отделить от фона. Возможно, ситуация улучшится, если использовать объединенные данные нескольких кластеров для восстановления события и отбрасывания фона.

Группа из Дубны создала научно-популярную веб-страницу https://dlnp.jinr.ru/en/baikal-gvd/okhotniki-za-nejtrino, где представлены  видео, посвященные строительству комплекса GVD и его физической программе, а также содержащие интервью участников (на русском языке). Как говорят авторы: «Это цикл о серьезном и веселом, грандиозном и обыденном, простом и сложном – обо всем, с чем приходится сталкиваться людям, решившим приоткрыть завесу очередной тайны Вселенной». 

Большинство фотографий сделаны Баиром Шайбоновым (Дубна), как и та, что представлена ниже, — снятый с помощью телеобъектива захватывающий вид на горы на другом берегу Байкала в 60 км от места съемки.

Новости KM3NeT

Завершена в значительной степени модернизация береговой станции Капо Пассеро. Работа береговой станции не прекращалась, одна гирлянда (называемая также детекторный блок, ДБ), находящаяся в воде с 2015 г., была заново подключена, и в настоящее время 17 из 18 оптических модулей этой гирлянды работают нормально. Коллаборация планирует установить новые соединительные коробки и до 18 ДБ в 2021 году. 

Собраны почти все оптические модули для первой очереди телескопа ARCA (оснащены 22 из 24 ДБ). Параллельно осуществляется сборка пяти следующих ДБ. Один из них уже закреплен на пусковом модуле, т.е. полностью готов, — см. рисунок. В настоящее время группа идет по графику и успевает выполнить работу по этим пяти модулям в срок (если COVID-19 не подбросит пакостных сюрпризов!). 

Связь ДБ с берегом через донные кабели и соединительную коробку осуществляется с помощью так называемого базового модуля, показанного на следующем рисунке. 

И последнее, но не менее важное: полностью протестированный прототип новой соединительной коробки находится в состоянии готовности с июля (см. GNN Monthly за июль 2020 г.) и будет установлен в апреле 2021 г. Позже этот прототип будет заменен окончательным вариантом соединительной коробки. 

Соединительная коробка доставляется к месту в титановом каркасе (см. рисунок), который также готов к установке. В каркасе размещается соединительный кабель, оснащенный погружными сочленяемыми разъемами, и базовый контейнер, содержащий специальные оптические компоненты и акустический приемник для позиционирования элементов детектора. 

Это то, что касается установки KM3NeT-ARCA…

Первая очередь телескопа ORCA непрерывно работает в течение 8 месяцев на набор данных со средней эффективностью, приближающейся к 99%. В 2021 г. предполагается установить дополнительные ДБ.

В последнюю неделю сентября–первую неделю октября проходило второе совещание коллаборации KM3NeT в удаленном режиме, на котором было избрано новое руководство коллаборации. Срок его полномочий начинается в феврале 2021 г.: новым руководителем коллаборации избран Паскаль Койл (Paschal Coyle), его заместителем стала Роза Конильоне (Rosa Coniglione), обязанности координатора физической программы будет исполнять Аарт Хейбур (Aart Heijboer), а технического координатора — Майлс Линдсей Кларк (Miles Lindsey Clark) (на фото слева направо). 

Наши поздравления и пожелания успехов всем четверым! 

Новости IceCube

Работы на полюсе: 

В этом году создание группы зимовщиков для работы на полюсе сталкивается с трудностями, самая большая из которых — COVID-19, как и везде. Никто из команды IceCube, кроме этих двоих, не едет на полюс в этом году. На момент написания этих строк эти двое, Мартин Вольф (Martin Wolf) и Джош Вейч-Михаэлис (Josh Veitch-Michaelis), находятся в Крайстчерче и занимаются формированием коллектива. Они оба не являются гражданами США, что создало некоторые проблемы, связанные с перемещением во времена пандемии, прежде всего неоднократные карантины: они выехали больше месяца назад из Мюнхена (Мартин) и Лондона (Джош), прибыли в Сан-Франциско и дважды прошли там карантин, а сейчас находятся на третьем карантине в Крайстчерче, Новой Зеландии. На полюс они должны прибыть в начале ноября. Один из нынешних зимовщиков останется до конца января, чтобы завершить подготовку, которая должна была проводиться с использованием Zoom и прерывалась сентябрьскими командировками. 

Обслуживание и эксплуатация комплекса IceCube осуществляются на минимальном уровне: обновление операционной системы для полярной вычислительной системы откладывается на год, как и капитальный ремонт систем обработки и фильтрации в режиме «онлайн». Планируемую установку наземного сцинтиллятора также приходится сдвинуть на следующий сезон.

Буровой шланг для модернизации с установкой семи гирлянд был поставлен той же итальянской компанией, которая изготовила такой же для нынешнего IceCube. Сейчас он находится в Порт-Хаенем на побережье Калифорнии (отсюда отправляются суда из США к антарктической станции МакМердо. Вероятно, буровой шланг будет доставлен на станцию МакМердо в январе 2021.

(Благодарю Каеля Хансона (Kael Hanson) за предоставление этой информации.)

Совещание коллаборации:

Осеннее совещание коллаборации IceCube прошло в виртуальном режиме 14–25 сентября.

Тем временем на полюсе: Солнце все поднимается и поднимается (фото прислано зимовщиком Юей Макино (Yuya Makino).

Дополненная реальность IceCube 

Благодаря приложению дополненной реальности (AR, augmented reality) любой желающий теперь может видеть, что происходит в толще льда. Приложение IceCubeAR показывает на экране мобильного телефона реальные события IceCube, проецируемые на окружение владельца телефона. Пользователи приложения будут оповещаться почти в реальном времени о событиях с кандидатами в нейтрино. Больше информации (в том числе о порядке использования) можно найти здесь: https://icecube.wisc.edu/news/view/776.;

Этот проект возглавила участница коллаборации IceCube Лу Лу (Lu Lu), постдокторант в Университете Тиба, вместе с соразработчиками Колином Баусом (Colin Baus), Всеволодом Юговым и Томасом Хаутом (Thomas Hauth). Приложение ICEcuBEAR доступно в Google playstore и Apple appstore.

Вверху: Лу.

Справа: скриншот приложения AR.

P-ONE

После выполнения в 2018 г. первопроходческой миссии STRAW (STRings for Absorption length in Water) группа P-ONE начала последующую миссию под названием STRAW-b, нацеленную на изучение оптических свойств канадского сегмента Каскадской котловины и проверку ее на соответствие задачам P-ONE (см. также GNN Monthly за май 2020 и https://www.nature.com/articles/s41550-020-1182-4). Имея в основном сферические модули и более длинную заякоренную оттяжку (430 м), STRAW-b ближе к полноценному прототипу линии P-ONE. 

Установка STRAW-b включает десять модулей: один спектросмещающий оптический модуль (СОМ) из Университета Майнца (впервые используется в реальных условиях), три сферы с платами измерения параметров окружающей среды, два датчика LiDAR для измерения длины рассеяния в воде, два спектрометра на основе ФЭУ и один на основе ПЗС для исследования эмиссионного спектра биолюминесценции и сферу с сцинтилляционными платами, срабатывающими при проходе мюонов через них. Первого октября STRAW-b была развернута командой ONC (Ocean Network Canada), поскольку из-за проблем с COVID-19 разработчики установки комплекса не смогли приехать в Канаду. Подключение проводилось с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата. Девять из десяти модулей работают в полную силу. Проводится физический пуск и первая обработка данных. С момента развертывания установка постоянно набирает данные, результатов по теме исследований пока не получено.

(Информация предоставлена Элизой Рескони и Лутцем Кёпке.)

 СОМ из Майнца во время установки. 

STRAW-b: скорость счета спектрометра на основе ФЭУ при использовании разных фильтров.

Публикации

IceCube, HAWC и AMON: Коллаборации IceCube и HAWC совместно с группой AMON выложили работу “Multimessenger Gamma-Ray and Neutrino Coincidence Alerts using HAWC and IceCube sub-threshold Data.” (https://arxiv.org/pdf/2008.10616.pdf) 

AMON расшифровывается как Astrophysical Multimessenger Observatory Network ― Сеть астрофизических многоканальных обсерваторий. Коллаборации HAWC и IceCube при содействии группы AMON разработали совместное исследование по поиску внегалактических астрофизических источников на основе мультимессенджера. Группа AMON постоянно работает, получая от HAWC и IceCube подпороговые данные (т.е. данные сами по себе не подходящие для проведения астрофизических поисков) и объединяя их в режиме реального времени. В работе описывается алгоритм анализа, а также результаты из архивных данных за период июнь 2015–август 2018 (общее действительное время работы ~ 3.0 года). Обнаружены два события совпадения с частотой ложного оповещения менее одного совпадения в год, что согласуется с фоновыми ожиданиями. Анализ в реальном времени запущен в системе AMON 20 ноября 2019 г., и оповещение научного сообщества о возможном событии осуществляется через сеть гамма-координат (Gamma-Ray Coordinates Network) с порогом ложного оповещения <4 совпадений в год, см. рисунок. 

Рангово-статистическое распределение результатов анализа. Синий цвет: фоновое ожидание, полученное из смешанных наборов данных и нормализованное на число совпадений, обнаруженных в открытом наборе данных. Красный цвет: результат открытого анализа. Действительное время набора данных — 3 года. Вертикальными линиями отмечены пороги 4-х и 1-го совпадения в год. Наибольшая ранговая статистика в наборе данных за 3 года приходится на значение 9,4, что соответствует 1 совпадению каждые 38,5 лет (см. следующий рисунок). 

Небесная карта наиболее значимого совпадения. Точками отмечены положения событий. Крестиком указано результирующее положение наилучшего согласия. Круги обозначают области 50% удержания. 

ANTARES: Коллаборация ANTARES выложила работу “Monte Carlo simulations for the ANTARES underwater neutrino telescope.” Автор для корреспонденции — Аннарита Марджотта (Annarita Margiotta) из Болонского Университета. См. https://arxiv.org/pdf/2010.06621.pdf. 

В работе последовательно рассматриваются основные этапы моделирования по методу Монте-Карло для эксперимента ANTARES. Особенности морской среды и изменения вклада в оптический фон требуют особой тщательности в отслеживании и воспроизведении эволюции во времени условий набора данных. Благодаря процедуре извлечения поступающей информации прямо из реальных данных (посеансное моделирование), все результаты моделирования по методу Монте-Карло, полученные к настоящему времени, являются надежным инструментом для анализа физических данных эксперимента ANTARES. Хотя детали моделирования жестко связаны с местом расположения детектора, его свойствами и геометрией оптических модулей, общая схема применима к любому подводному детектору, в частности к KM3NeT. 

Обзоры авторов GNN: За последние несколько месяцев были выложены несколько обзоров, написанных авторами GNN, каждый из которых включает содержательное введение в нашу область исследований и краткое описание современного положения дел в ней.  

1. Andrea Palladino, Maurizio Spurio, Francesco Vissan, “Neutrino telescopes and high-energy cosmic neutrinos,” https://arxiv.org/pdf/2009.01919.pdf  

2. Gisela Anton, “Neutrino Telescopes,” https://arxiv.org/pdf/2010.06012.pdf. Глава в книге "Probing particle physics with neutrino telescopes" под ред. Карлоса де лос Эроса (Carlos de los Heros), World Scientific; написано в 2018 г. 

3. Carlos de los Heros: Status, Challenges and Directions in Indirect Dark Matter Searches, Symmetry Magazine 12 (2020) 1648, https://www.mdpi.com/2073-8994/12/10/1648 

Блазары или не блазары, вот в чем вопрос

В своей работе “Directional association of TeV to PeV astrophysical neutrinos with active galaxies hosting compact radio jets” (https://arxiv.org/pdf/2009.08914.pdf) А. Плавин, Ю. Ковалев, Ю. Ковалев и С. Троицкий (Москва, Иркутск и Бонн) обосновывают свой последний результат (https://arxiv.org/pdf/2001.00930.pdf) о том, что зарегистрированные детектором IceCube нейтрино с энергией выше 200 ТэВ зарождаются на расстоянии нескольких парсеков в центральных областях радиоярких активных ядер галактик. В аннотации они пишут: “Для независимой проверки данного результата и проведения анализа в более широком интервале энергий мы использовали открытые данные по всем энергиям, полученные на IceCube за семь лет наблюдений. Карта точечных источников, полученная по методу правдоподобия из данных IceCube, проанализирована по отношению к положениям АЯГ из большой полной выборки по плотности их компактного радиопотока. Указанный анализ дал значимость 3,0σ при общей после испытательной значимости обоих исследований 4,1σ. Проведена корреляция по большому количеству АЯГ. Вместе с менее яркими, но физически аналогичными источниками, не включенными в выборку, эти радиояркие квазары могут помочь объяснить поток астрофизических нейтрино, полученный из анализов мюонных треков по данным IceCube. Нейтрино могут образовываться во взаимодействиях релятивистских протонов с рентгеновскими самокомптовскими фотонами в струях парсекового масштаба из АЯГ.”  

Аналогично, Т. Ховатта (T. Hovatta) и др. (Финляндия, Греция, Чили, США) выложили работу “Association of IceCube neutrinos with radio sources observed at Owens Valley and Metsähovi Radio Observatories,” см. https://arxiv.org/pdf/2009.10523.pdf. В аннотации авторы пишут: “Ассоциации радиоисточников выявлены в выборках с 16 событиями с высокоэнергетическими нейтрино, зарегистрированных на IceCube. Почти половина ассоциированных источников не обнаруживаются в гамма-диапазоне, но их свойства переменности в радиодиапазоне и коэффициенты доплеровского усиления аналогичны таковым у объектов, регистрируемым в гамма-диапазоне в нашей выборке, так что они потенциально могут быть нейтринными излучателями. Мы обнаружили, что такое количество сильно вспыхивающих объектов, как в наших выборках, вряд ли может объясняться случайным совпадением (на уровне 2σ), а в случае выборок OVRO выборка ассоциированных источников находится в среднем в активном состоянии по сравнению со случайными выборками. На основании полученных результатов мы пришли к выводу, что, хотя явно не все нейтринные события связаны с сильно вспыхивающими в радиодиапазоне блазарами в случае когда радиовспышки большой амплитуды наблюдаются одновременно с нейтринным событием, все же маловероятно, что здесь имеет место случайное совпадение.” 

Гипотеза о том, что гамма-излучение может быть не лучшим способом для корреляции блазаров и нейтринных вспышек, была предложена и в работе Эммы Кун (Emma Kun), Имре Бартоша (Imre Bartos), Юлии Беккер Тьюс  (Julia Becker Tjus), Петера Бирмана (Peter Biermann), Фрэнсиса Хальзена (Francis Halzen), и Дьёрдя Мезё (György Mező) “Neutrino emission during the γ-suppressed state of blazars,” выложенная на https://arxiv.org/pdf/2009.09792.pdf. Вот аннотация статьи: “Несмотря на обнаружение связи между высокоэнергетическим нейтрино и наблюдавшимся вспышечным состоянием блазара TXS 0506+056 в 2017 г., остаются неясными механизмы ускорения астрофизических частиц и рождения нейтрино. Последние исследования показали, что блазары в состоянии γ-вспышки слишком разрежены для образования нейтрино, и это затрудняет объяснение мультимессенджерного наблюдения TXS 0506+056. В данной работе мы показываем, что обнаруженный телескопом Ферми–LAT поток гамма излучения от другого блазара, PKS 1502+106, был в локальном минимуме во время регистрации на IceCube совпадающего высокоэнергетического нейтринного события IC-190730A. Это предполагает наличие большой плотности фотонов и протонов мишени, что способствует рождению нейтрино, и при этом подавляет наблюдаемое γ-излучение. Используя данные 40-метрового телескопа OVRO, мы обнаружили, что радиоизлучение от PKS 1502+106 во время нейтринного события IC-190730A было в состоянии высокого уровня в отличие от других периодов времени, когда потоки радио- и γ-излучения были скоррелированы. Это указывает на активное истечение, γ-подавленное во время рождения нейтрино. Мы обнаружили аналогичное γ-подавление и у других блазаров, включая поток MAGIC от TXS 0506+056 и поток Ферми–LAT от PKS B1424-418, в момент регистрации нейтринных событий на IceCube, что является дополнительным подтверждением указанной выше модели. Использование временного γ-подавления может существенно повысить чувствительность поисков нейтрино–блазарного совпадения по сравнению с ранее предполагаемой, что позволит определить происхождение диффузного нейтринного потока, зарегистрированного на IceCube, причем, возможно, из уже существующих данных.