[論文レビュー] Neutrino Telescope in Lake Baikal: Present and Future

Baikal-GVD Collaboration, A. D. Avrorin+51 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

バイカル＝GVDニュートリノ望遠鏡はバイカル湖で運用されており、100 TeVを超える高エネルギーニュートリノを検出するための有効体積が0.25 km³に達し、年間2〜3件の宇宙からのニュートリノイベントを記録した。光学モジュールを用いて粒子崩壊から発生するチェレンコフ光を検出することで、高エネルギー崩壊イベントを同定し、GW170817からのニュートリノフラクチュエートの上限を設定した。これにより、北半球におけるマルチメッセンジャーアストロノミーが前進した。

ABSTRACT

A significant progress in the construction and operation of the Baikal Gigaton Volume Detector in Lake Baikal, the largest and deepest freshwater lake in the world, is reported. The effective volume of the detector for neutrino initiated cascades of relativistic particles with energy above 100 TeV has been increased up to about 0.25 cubic kilometer. This unique scientific facility, the largest operating neutrino telescope in Northern Hemisphere, allows already to register two to three events per year from astrophysical neutrinos with energies exceeding 100 TeV. Preliminary results obtained with data recorded in 2016-2018 are announced. Multimessenger approach is used to relate finding of cosmic neutrinos with those of classical astronomers, with X-ray or gamma-ray observations and the gravitational wave events.

研究の動機と目的

• バイカル＝GVD望遠鏡を用いて、北半球における高エネルギーニュートリノ天文学者の発展を図ること。
• アクティブ銀河核や中性子星合体などの遠方の宇宙的源から発生する100 TeVを超える宇宙からのニュートリノを検出すること。
• ガンマ線、X線、重力波観測と照合することで、ニュートリノイベントをマルチメッセンジャーアストロノミーに貢献すること。
• GW170817重力波イベントおよびその電磁気的対応物と関連する高エネルギーニュートリノを検出すること。
• ニュートリノイベント再構築とバックグラウンド抑制のための高度なキャリブレーションおよびデータ解析技術の開発と実装すること。

提案手法

• バイカル＝GVD検出器は、垂直ストリング上に配置された288個の光学モジュール（OM）から成る3次元格子構造を採用しており、各OMには量子効率35％の10インチフォトマルチプライヤー管（PMT）が内蔵されている。
• ニュートリノ衝突によって生じる相対論的粒子からのチェレンコフ光がOMで検出され、信号は200 MHzのサンプリングと2 nsの時間分解能で処理される。
• 隣接するOMからのパルスの一致（閾値はそれぞれ約2光電子および約5光電子）を用いたグローバルトリガーシステムがデータ取得を開始する。
• 各クラスタ（ストリングあたり36 OM、1クラスタあたり8ストリング）からのデータは、FPGAメモリを介して5 µs間バッファリングされ、5 Mbit/sの速度で岸上に送信される。
• タイムスタンプ付き波形を用いたリアルタイムでのイベント再構築が行われ、ミューオンの軌跡と崩壊イベントが別々に同定される。
• マルチメッセンジャーアナリシスでは、崩壊モード再構築を用いて、GW170817の周囲の時間窓（±500秒および14日）でニュートリノ信号の探索が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 TeVを超える高エネルギーニュートリノに対して、バイカル＝GVD検出器の有効体積および感度はどの程度か？
• RQ2 バイカル＝GVDは、ブレーザーや中性子星合体といった源からの宇宙ニュートリノを検出可能か？
• RQ3 E⁻²スペクトル形状と等しいフレーバーfluxを仮定した場合、GW170817からのニュートリノフラクチュエートの上限は何か？
• RQ4 マルチメッセンジャーアストロノミーにおいて、バイカル＝GVDの性能は他のニュートリノ望遠鏡と比べてどうか？
• RQ5 検出器は、宇宙ニュートリノに一致する高エネルギー崩壊イベントを同定可能か？

主な発見

• 2018年までに、バイカル＝GVD検出器は100 TeVを超えるニュートリノ誘発崩壊に対して、約0.25 km³の有効体積を達成した。
• 2016年から2018年のデータに基づき、年間2〜3件の宇宙ニュートリノイベントが記録され、望遠鏡の運用感度が裏付けられた。
• 2016年の182日間の稼働データ（182日間）で、5674件のニュートリノ候補が同定され、そのうち1件は10回のヒット、144件は6回のヒットを示した。
• GW170817重力波トリガーの±500秒以内に、崩壊モードで顕著なニュートリノイベントは検出されなかったが、2つのクラスタが稼働していた。
• 図4に示すように、E⁻²スペクトル形状と等しいフレーバーfluxを仮定した場合、GW170817Aからのニュートリノフラクチュエートの上限が90％信頼水準で導出された。
• 望遠鏡は高エネルギー崩壊イベントとミューオンの軌跡の再構築が可能であることが示され、今後の二重パルスやダークマター信号の検出の可能性を秘めている。