[論文レビュー] Baikal-GVD: status and prospects

GVD Collaboration, А. В. Аврорин+50 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

Baikal-GVD は湖バイカルに建設中のキロメートルスケールのニュートリノ望遠鏡であり、チェレンコフ放射を介して高エネルギー天体ニュートリノを検出するために、1クラスタあたり288個の光学モジュール（OM）を用いる。2018年までに3つのクラスタ（864個のOM）が稼働し、上向きのミューオンや高エネルギーカスケード事象の早期検出が可能になった。GW170817と一致する非検出結果から、ニュートリノフラクセントの上限が導出された。

ABSTRACT

Baikal-GVD is a next generation, kilometer-scale neutrino telescope under construction in Lake Baikal. It is designed to detect astrophysical neutrino fluxes at energies from a few TeV up to 100 PeV. GVD is formed by multi-megaton subarrays (clusters). The array construction started in 2015 by deployment of a reduced-size demonstration cluster named "Dubna". The first cluster in its baseline configuration was deployed in 2016, the second in 2017 and the third in 2018. The full scale GVD will be an array of ~10000 light sensors with an instrumented volume of about 2 cubic km. The first phase (GVD-1) is planned to be completed by 2020-2021. It will comprise 8 clusters with 2304 light sensors in total. We describe the design of Baikal-GVD and present selected results obtained in 2015-2017.

研究の動機と目的

• 湖バイカルにキロメートルスケールのニュートリノ望遠鏡を構築し、高エネルギー天体ニュートリノを検出すること。
• 垂直ストリングに光学モジュール（OM）のモジュラー配列を設置し、高い検出感度を持つクラスタを形成すること。
• 部分的設置を用いた早期の物理学研究を可能とし、ミューオンおよびカスケード事象の検出を実現すること。
• GW170817のような重力波イベントと一致するニュートリノを探索すること。
• 高エネルギー分解能および高角度分解能を持つ、マルチメガトンスケールの検出器を確立し、宇宙ニュートリノの研究を推進すること。

提案手法

• 湖底に固定された垂直ストリングに、フォトマイコンバーター（PMT）を備えた光学モジュール（OM）を735〜1260メートルの深さに設置する。
• 各ストリングに15メートル間隔でOMを配置し、12個のOMを1つの機能的検出ユニット（DU）としてグループ化する。
• 最小発火PMT数に基づくトリガー条件を用いて、信号をフィルタリングするリアルタイムデータ取得（DAQ）を実装する。
• 各クラスタを電気光ケーブルで岸上に接続し、電力供給、制御、高帯域幅のデータ送信を実現する。
• チェレンコフ光のパターンからニュートリノ候補を特定するために、方向およびエネルギー再構成アルゴリズムを適用する。
• 重力波トリガー（例：GW170817）との時間的・空間的一致を用いて、大気的バックグラウンドを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Baikal-GVD は、初期段階のクラスタ設置を用いて高エネルギー天体ニュートリノを検出可能か？
• RQ2 GW170817のような重力波イベントに関連するニュートリノに対して、Baikal-GVD の感度はどの程度か？
• RQ3 上向きミューオンニュートリノおよびカスケード事象の検出と再構成技術は、どの程度効果的か？
• RQ4 GW170817からのニュートリノフラクセントにどの程度の上限を設定できるか？
• RQ5 モジュラー設計は、完全な設置が完了する前でも、どの程度の物理学的研究を可能にするか？

主な発見

• 2018年4月時点で、Baikal-GVD は864個の光学モジュールを備えた3つのクラスタを設置し、当時世界最大の水中ニュートリノ望遠鏡となった。
• 最初のクラスタ（2016年4月に設置）により、上向きに通過するミューオンが明確なニュートリノ候補として同定された。
• 緩い選別条件を用いて、2件の高エネルギーカスケード事象が天体ニュートリノ候補として特定された。
• ±500秒または14日間の時間窓内、GW170817と一致する顕著なニュートリノ候補は検出されなかった。
• 生存事象の中央値角度誤差は4.5°であり、±500秒窓内での予想される大気的バックグラウンドは約0.05事象であった。
• 90%信頼水準で、±500秒および14日間の時間窓におけるニュートリノスペクトルフラクセントの上限が導出され、理論的モデルと整合的であった。