Новости нейтринных экспериментов

 

ANTARES

Установка ANTARES продолжает уверенно набирать данные и успешно играть свою роль в различных программах систем оповещения и многоканальной обработки сигналов. И хотя установки ORCA и ARCA уже приняты в эксплуатацию, работа ANTARES будет завершена только при следующем удобном случае. Точные сроки пока не установлены.

 

Baikal-GVD

Летом перед участниками эксперимента стояла задача подготовиться к следующему сезону по развертыванию телескопа. Сюда входило и строительство еще одного здания на берегу озера, и работы по модернизации инфраструктуры. 

Изучается возможность использования новой триггерной системы для улучшения чувствительности кластера к близким к горизонту сигналам. Все восемь кластеров набирают данные. Большая часть оптических модулей для двух кластеров, которые планируют установить в следующей экспедиции, готова (отчасти потому, что в последний раз был установлен только один кластер из-за проведения обширных ремонтных работ).

 

KM3NeT

Детекторы ARCA и ORCA успешно набирают данные. Ближайшие работы в море запланированы на сентябрь. Ученые надеются добавить к ARCA пять регистрирующих блоков (гирлянд) и семь к ORCA.

 

IceCube

Ограничения, связанные с пандемией, все еще оказывают свое влияние на выполнение работ на Южном полюсе сезона 2021/2022 года. Существует высокая вероятность того, что модернизация, запланированная на этот год, не будет проведена. Тем самым плановые мероприятия по установке семи гирлянд могут быть перенесены с сезона 2022/2023 на сезон 2023/2024 года. Два новых зимовщика Вен Мари-Сент (Wen Marie-Sainte) и Морено Баричевич (Moreno Baricevic) (у обоих уже есть опыт работы на полярной станции Конкордия) сменят Джоша и Мартина, которые дежурят на полюсе сейчас, а еще в лабораторию IceCube приедут на несколько недель один или два специалиста для замены некоторых компонентов. Есть надежда, что груз, застрявший в пути, вскоре будет доставлен в южный пункт назначения, по крайней мере его часть. 

 

Коронавирус не потревожил покоя полярного сияния и Млечного Пути, во всяком случае, если судить по фотографиям, которые нам прислали Джош и Мартин:

 

На переднем плане церемониальный Южный полюс и выбившийся из сил зимовщик, демонстративно устроившийся на отдых среди флагов. На заднем плане — антарктическая станция. В верхнем левом углу — Млечный Путь, в верхнем правом — полярное сияние. Яркий объект над норвежским флагом — Юпитер, а Сатурн — чуть левее вверх от новозеландского флага.

 

За лабораторией IceCube встает солнце. Виден и Млечный Путь, и Большое Магелланово Облако в стороне от него.

 

Мартин и Джош не только делают замечательные снимки полярного сияния, но еще и трудятся не покладая рук! На фотографии внизу Джош откручивает кабели оптических модулей, чтобы заменить карту GPS.

 

---

 

Публикации

Коллаборация KM3NeT направила статью «Sensitivity to light sterile neutrino mixing parameters with KM3NeT/ORCA» в журнал Journal of High Energy Physics (JHEP) (размещена в архиве электронных публикаций  2107.00344.pdf (arxiv.org)). В статье говорится о чувствительности установки ORCA к присутствию легких стерильных нейтрино в модели 3+1. Рисунки внизу показывают, что после трех лет набора данных, ORCA сможет изучать углы смешивания активных стерильных нейтрино θ₁₄, θ₂₄, θ₃₄, а также эффективный угол θμe в широком диапазоне разности квадратов масс Δm₄₁² от 10^-5 до 10 эВ². Это позволит проверить гипотезу о том, что стерильные нейтрино массой на уровне электронвольта являются причиной аномалий в экспериментах с короткой базой, а также гипотезу о сверхлегких стерильных нейтрино, не исключенных пока космологией.

 

Чувствительность KM3NeT/ORCA к параметрам смешивания θ₂₄, θ₃₄ с Δm₄₁^²= 1 эВ² на уровне достоверности 99% для данных, набранных в течение трех лет. Чувствительность сравнивается с существующими верхними пределами, полученными в ANTARES, IceCube/DeepCore и Super-K. Исключенная область находится справа от линий.

 

 

Чувствительность KM3NeT/ORCA к параметру смешивания θ₂₄  на уровне достоверности 99% для данных, набранных в течение трех лет, в сравнении с существующими верхними пределами из космологических данных, а также данных из MINOS/MINOS+, IceCube и Super-K.

 

Чувствительность KM3NeT/ORCA к параметру смешивания |U_μe|² на уровне достоверности 99% для данных, набранных в течение трех лет, в сравнении с существующими верхними пределами, полученными в проектах Daya Bay+Bugey-3+MINOS/MINOS+, KARMEN и NOMAD. Существующие области аномалии по данным LSND и MiniBooNE показаны слева вверху.

 

Коллаборации JUNO и KM3NeT направили совместную статью «Combined sensitivity of JUNO and KM3NeT/ORCA to the neutrino mass ordering» в журнал JHEP (размещена в архиве электронных публикаций 2108.06293.pdf (arxiv.org)). Совместный анализ оказался более эффективным, чем простое сложение чувствительностей обоих экспериментов, из-за несовместимости измеряемых экспериментами JUNO и ORCA значений  Δm₃₁^² в  предположении неверной  иерархии масс нейтрино. 

Объединение данных значительно сокращает время, которое требуется для достижения статистической значимости 5? для определения иерархии масс нейтрино при любом значении параметров осцилляций. В любом случае, если анализировать объединенные данные, измерения со значимостью 5? могут быть получены за 6 лет, а если использовать только данные ORCA, то понадобится 10 лет и более в зависимости от истинности принятой иерархии. 

Выигрыш во времени будет даже больше в тех случаях, когда анализу, основанному только на данных ORCA требуется больше времени для достижения чувствительности 5? из-за неопределенности в величине θ₂₃.   

В удачном случае, когда истинной окажется нормальная иерархия масс нейтрино, а угол θ₂₃ будет лежать во втором октанте, то определение иерархии масс нейтрино со значимостью 5? может быть возможным меньше, чем через два года набора данных и их совместного анализа. При таком благоприятном развитии событий, что также соответствует текущей глобальной величине наилучшего согласия, иерархию масс нейтрино можно было бы определить как минимум на год раньше, чем при использовании одних только данных ORCA (см. первый из рисунков внизу). 

Поскольку выигрыш во времени для определения иерархии масс нейтрино при совместном использовании JUNO и ORCA не связан исключительно с возможностями каждого эксперимента в отдельности определять иерархию мисс, то чувствительность такого объединенного эксперимента к систематическим неопределенностям и детекторным эффектам будет иной, чем у каждого эксперимента в отдельности.

Например, если энергетическое разрешение JUNO является ключевым для измерения иерархии масс нейтрино с использованием только данных JUNO, то в случае объединенного анализа его влияние невелико (см. второй рисунок внизу). И, наоборот, изменение систематики ORCA с оптимистичной на базовую не будет сильно влиять на способность установки ORCA определять иерархию масс нейтрино, а на совместный анализ оно окажет большее влияние.

 

Чувствительность к иерархии масс нейтрино в зависимости от времени: только JUNO (красная линия), только ORCA (синяя линия), комбинация JUNO и ORCA (зеленая линия) в предположении базовой (сплошная линия) или оптимистичной систематики (штриховая линия).

 

То же, что и на предыдущих рисунках, но с учетом энергетического разрешения JUNO лучше (пунктирная линия) или хуже номинального (сплошная линия) на ±0,5% √ E/MeV.

 

Коллаборация ANTARES направила статью «Studying Bioluminescence Flashes with the ANTARES Deep Sea Neutrino Telescope» в журнал Ocean Dynamics (размещена в архиве электронных публикаций  [2107.08063] (arxiv.org)). Основные авторы из группы Information Field Theory Института астрофизики Общества Макса Планка и c кафедры робототехники, искусственного интеллекта и систем реального времени Мюнхенского технического университета (оба расположены в Гархинге), а также из Университета Неймегена имени святого Радбода Утрехтского, с факультета астрофизики/Института математики, астрофизики и физики частиц (IMAPP).

В статье представлен новый метод использования обширного объема данных, набранных подводными нейтринными телескопами, для получения информации о биолюминесценции в морских глубинах. Предложен статистический метод, который позволяет реконструировать световое излучение отдельных организмов, а также их положение в пространстве и передвижение. Математическая модель построена таким образом, чтобы описывать и процесс измерений, происходящий на подводных нейтринных телескопах, и возникновение сигналов биологических организмов. Так называемый «Алгоритм метрической Гауссовой вариационной интерференции» применяется для реконструкции модельных параметров с помощью зарегистрированных фотонных событий. Метод применяется для синтетических наборов данных и для данных, собранных ANTARES.

Прогоны алгоритма с использованием синтетических данных показывают, что можно достоверно смоделировать испускаемые организмами биолюминесцентные вспышки. Более того, обнаружено, что пространственное разрешение локализации источников света сильно зависит от конфигурации телескопа. Прецизионные измерения эффективности детекторов и длины затухания света в воде являются ключевыми для реконструкции светового излучения. И наконец, применение метода к данным ANTARES дает первые точные результаты локализации биолюминесцентных организмов по данным нейтринного телескопа.

 

Коллаборация IceCube направила статью «Search for High-Energy Neutrinos from Ultra-Luminous Infrared Galaxies with IceCube» в журнал Astrophysics Journal и разместила ее в архиве электронных публикаций [2107.03149] (arxiv.org). 

У сверхъярких инфракрасных галактик (ultra-luminous infrared galaxies, ULIRGs) инфракрасная светимость (infrared luminosity, LIR) > 10¹² L_Солнца , что превращает их в самые яркие объекты на небе в инфракрасном диапазоне. Взрывы звезд являются основным источником их энергии. Они также характеризуются скоростью звездообразования свыше 100 М_Солнца  год^-1 , что, возможно, связано со вкладом от активного галактического ядра. В таком окружении сверхъяркие инфракрасные галактики вполне могут быть источниками астрофизических нейтрино высоких энергий.

В статье представлены суммированные результаты поиска нейтрино высоких энергий по репрезентативной выборке из 75 сверхъярких инфракрасных галактик с красным смещением z < 0,13 на основе данных IceCube, собранных за 7,5 лет (см. следующий рисунок).

 

 

Результаты согласуются с наблюдениями за фоновым излучением, определяя верхние пределы на поток нейтрино от этих 75 сверхъярких инфракрасных галактик. Для ненарушенного степенного спектра E^-2,5 найден верхний предел на суммарный поток мюонных нейтрино 3,24 × 10^-14 TэВ^-1 см^-2 с^-1 ср^-1 (E/10 TэВ)^-2,5 с уровнем достоверности 90% (см. следующий рисунок).

 

Интегральные пределы на вклад популяции сверхъярких инфракрасных галактик на уровне достоверности 90% с красным смещением до z_макс=4,0 в наблюдаемый диффузный поток мюонных нейтрино показаны для трех ненарушенных степенных спектров. Графики пределов построены в соответствующих 90% центральных энергетических областях.

 

Вклад популяции источников сверхъярких инфракрасных галактик в наблюдаемый диффузный поток астрофизических нейтрино, а также модельные предсказания ограничены.

 

Предсказание Хе и др. (He et al., 2013) относительно диффузного потока нейтрино от гиперновой звезды в сверхъярких инфракрасных галактиках (сплошная фиолетовая линия) и полученный в результате исследования верхний предел на Е^-2,0 с 90% уровнем достоверности (штриховая синяя линия). Для сравнения показана предполагаемая эволюция источников сверхъярких инфракрасных галактик, интегрированная до красного смещения z_макс=2,3. Предсказания модели не согласуются с полученным пределом.

 

Предсказание Палладино и др. (Palladino et al., 2019) относительно диффузного потока нейтрино, нормированного на наблюдения IceCube, из галактик с адронной моделью гамма-излучения (сплошная фиолетовая линия); а также полученный в результате исследования верхний предел на Е^-2,12 с 90% уровнем достоверности (штриховая синяя линия). Для сравнения дана предполагаемая эволюция источников в соответствии со скоростью звездообразования, интегрированной до красного смещения z_макс=4,0. Полученный предел исключает возможность того, что сверхъяркие инфракрасные галактики являются единственными галактиками с адронной моделью гамма-излучения, которые объясняют наблюдения диффузных потоков нейтрино.

 

Международная конференция по космическим лучам ICRC 2021

Коллаборации IceCube и IceCube-Gen2 собрали свои работы здесь:

[2107.06966] The IceCube Collaboration -- Contributions to the 37th International Cosmic Ray Conference (ICRC2021) (arxiv.org),

и здесь:

[2107.06968] The IceCube-Gen2 Collaboration -- Contributions to the 37th International Cosmic Ray Conference (ICRC2021) (arxiv.org).

Коллаборации ANTARES, KM3NeT, Baikal-GVD и P-ONE опубликовали свои работы самостоятельно.

Обзоры по нашей тематике представили в своих реферативных докладах Анна Неллес (Anna Nelles) (“Neutrinos and Muons”: 

https://icrc2021-venue.desy.de/media/downloadAttachment/key/18f37b567bc3ecd98886c79ef3835227/maid/3235)

и Ирене Тамборра (Irene Tamborra) (“Multimessenger Astronomy”:

https://icrc2021-venue.desy.de/media/downloadAttachment/key/4938af1a693cfcc22706586a2c1b6c0a/maid/3236).

Видео доступно только зарегистрированным пользователям. Доклад Анны есть и в свободном доступе: 

https://www-zeuthen.desy.de/~anelles/Overview.pdf.

Награды конференции ICRC:

Карлос Аргуэллес (Carlos Arguelles) (Гарвард) и Франческа Калоре (Francesca Calore) (Лаборатория теоретической физики Университета Савойя (LAPTh, CNRS)) получили премии ИЮПАП для молодых ученых (International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP), а Ке Фан (Ke Fang) (Висконсинский университет в Мадисоне) — премию Шахти Дуггал (Shakti P. Duggal Award). Медаль О’Кэллига (O’Ceallaigh medal) была вручена Паоло Липари (Paolo Lipari) (Римский университет и Национальный институт ядерной физики (INFN)), премия Йодха (Yodh Prize) — Энтони Бэллу (Antony Bell) (Оксфордский университет), а медаль Баба (Bhabha medal) — Френсису Хальзену (Francis Halzen) (Висконсинский университет в Мадисоне). Поздравляем лауреатов!  

---

 

Светлой памяти...

Гиоргос Андрулакис (Giorgos Androulakis) — с 2017 года руководитель отдела обеспечения и контроля качества коллаборации KM3NeT — скоропостижно скончался 9 июля 2021 года. Ему было 43 года.

 

 

Вот некролог, написанный Паскалем Койлом (Paschal Coyle) и размещенный на странице KM3NeT:

Гиоргос пришел в KM3NeT в 2014 году как член группы Национального центра научных исследований “Demokritos” (Афины, Греция). С самого начала он активно участвовал в строительстве детекторов. В 2017 году он стал руководителем отдела коллаборации по обеспечению и контролю качества и координировал строительство и эксплуатацию детекторов, руководил командой контролеров из институтов, задействованных в строительстве. В течение долгого времени он был ключевой фигурой команды по управлению KM3NeT и членом правления коллаборации.

Гиоргос был неизменным консультантом институтов, где создавались детекторы, и, когда возникали проблемы, помогал понять их причину, а также разъяснял сотрудникам все хитрости базы данных. Как у руководителя у него всегда был свой, оригинальный взгляд на вещи, умение проникнуть в суть вопроса, и это приводило нас к пониманию и решению насущных проблем. Его логический подход, проницательность и мудрые советы были бесценны для принятия многих важных решений. 

Во многом благодаря его знаниям, преданности работе и трудолюбию были успешными действия коллаборации последнего времени по строительству инфраструктуры на дне моря и созданию регистрирующих блоков.  

Гиоргоса глубоко уважали все члены коллаборации. Он был той движущей силой, что заставляла нас плавно двигаться в верном направлении. Многие из нас скорбят о потере друга. Лично мне будет не хватать наших разговоров за парой кружек пива после напряженного дня работы на совещании коллаборации, а особенно его неповторимого чувства юмора.

В это трудное время от лица коллаборации KM3NeT я бы хотел выразить искренние соболезнования его семье и друзьям. 

Нам будет его очень не хватать.