[論文レビュー] RES-NOVA sensitivity to core-collapse and failed core-collapse supernova neutrinos

L. Pattavina, N. Ferreiro Iachellini+19 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 66被引用数 28

ひとこと要約

RES-NOVAは、核子と中性子の coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEνNS) を用いて、銀河系全域にわたるコア崩壊型および失敗したコア崩壊型超新星の中性子ビームを検出する、コンactでモジュラーな考古学的鉛を用いた冷温検出器アレイを提案する。60 cm³ の全有効体積と1 keVのエネルギー閾値を備え、3 kpc以内の銀河系超新星に対しても、性能劣化を来さずに3σ以上の感度を達成する。これは、高いモジュラリティとバックグラウンド抑制能力のおかげである。

ABSTRACT

RES-NOVA is a new proposed experiment for the investigation of astrophysical neutrino sources with archaeological Pb-based cryogenic detectors. RES-NOVA will exploit Coherent Elastic neutrino-Nucleus Scattering (CE$ u$NS) as detection channel, thus it will be equally sensitive to all neutrino flavors produced by Supernovae (SNe). RES-NOVA with only a total active volume of (60 cm)$^3$ and an energy threshold of 1 keV will probe the entire Milky Way Galaxy for (failed) core-collapse SNe with $> 3 \sigma$ detection significance. The high detector modularity makes RES-NOVA ideal also for reconstructing the main parameters (e.g. average neutrino energy, star binding energy) of SNe occurring in our vicinity, without deterioration of the detector performance caused by the high neutrino interaction rate. For the first time, distances $<3$ kpc can be surveyed, similarly to the ones where all known past galactic SNe happened. We discuss the RES-NOVA potential, accounting for a realistic setup, considering the detector geometry, modularity and background level in the region of interest. We report on the RES-NOVA background model and on the sensitivity to SN neutrinos as a function of the distance travelled by neutrinos.

研究の動機と目的

• 主な目的は、銀河系全域にわたるコア崩壊型および失敗したコア崩壊型超新星の中性子ビームを検出可能な、高感度でコンactな検出器アレイの開発である。
• 研究の目的は、近接する超新星から生じる高い中性子ビーム相互作用レートが、積み重なり効果（pile-up）によって従来の大容量検出器の性能を劣化させるという課題に対処することである。
• RES-NOVAは、そのモジュラー設計と低バックグラウンドレベルを活かして、平均中性子ビームエネルギーおよび全星の束縛エネルギーといった、重要な超新星パラメータの高精度再構成を可能にすることを目的としている。
• このプロジェクトは、大がかりな一体型検出器と同等の感度を達成できる小型で高セグメンテーションな検出器システムが、近距離（3 kpc未塔）でも積み重なりの深刻な問題が生じる状況においても有効であることを示すことを目的としている。
• 研究は、考古学的鉛を冷温検出器に用いることが、天体的中性子ビーム検出において実現可能であることを検証することを目的としており、バックグラウンドモデリングと信号感度に焦点を当てる。

提案手法

• RES-NOVAは、500個の冷温検出器からなるモジュラー・アレイを採用しており、高い核子的安定性と低い固有放射能のおかげで、考古学的鉛を標的物質として使用している。
• 検出メカニズムは、全中性子ビームフレーバーに対して同等の感度を提供し、低エネルギー領域でも効果的なcoherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEνNS) である。
• 検出器応答のモデル化にはモンテカルロシミュレーションが用いられ、体積および表面の放射能、環境中性子、バックグラウンド崩壊鎖の寄与が含まれた。
• バックグラウンドレートは単位質量および時間窓あたりで計算され、時間相関はパワースペクトル密度（PSD）解析により評価された。低バックグラウンドレベルのため、時間相関は無視できるほどであった。
• 統計的有意性は、大規模なモンテカルロシミュレーションを要しない効率的な計算が可能となるAsimovデータセット法により評価された。
• 信号およびバックグラウンドレートは距離関数として計算され、信号は距離の逆二乗に比例（d⁻²）し、バックグラウンドレートは検出器質量および時間窓あたりに正規化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CEνNSを用いた小型でモジュラーな冷温検出器アレイは、銀河系全域、特に3 kpc以内のコア崩壊型超新星に対し、3σ以上の感度を達成できるか？
• RQ2 検出器のモジュラリティは、近接する超新星イベントにおける高い中性子ビーム相互作用レートによる性能劣化をどのように緩和するか？
• RQ3 電子およびガンマ線のバックグラウンド拒否技術（例：e/γ拒否）は、約50 kpcの距離にある大マゼラン雲のような遠方の源への感度をどの程度延長できるか？
• RQ4 環境中性子および放射性崩壊鎖は、関心領域におけるバックグラウンド予算にどの程度寄与しているか？
• RQ5 RES-NOVAは、近接するイベントにおいて、平均中性子ビームエネルギーおよび全束縛エネルギーといった重要な超新星パラメータを高精度で再構成できるか？

主な発見

• RES-NOVAは、銀河系全域にわたるコア崩壊型および失敗したコア崩壊型超新星に対して、30 kpcまでの距離でも3σ以上の検出有意性を達成する。
• 電子およびガンマ線バックグラウンドを完全に拒否した場合、RES-NOVAは約50 kpcの距離に位置する大マゼラン雲（LMC）の超新星に対して5σ以上の感度を達成できる。
• モジュラー設計と低デッドタイムのおかげで、近距離（3 kpc未塔）においても高い性能を維持し、積み重なりによる応答の著しい劣化は見られない。
• バックグラウンドモデルは、環境中性子および放射性崩壊鎖が関心領域における主要な寄与要因であることを示し、時間相関は無視できるほどであった。
• 0.2 kpcの距離（例：ベテルギウス）に位置する27 M⊙ のコア崩壊型超新星に対して、RES-NOVAは平均中性子ビームエネルギーおよび全束縛エネルギーといった重要なパラメータを高精度で再構成できる。
• 本研究は、考古学的鉛を用いた冷温検出器が、将来の超新星中性子ビーム検出において実現可能で、かつ極めて感度の高いプラットフォームであることを確認した。大がかりな一体型検出器と比較して、単位質量あたりの感度が優れている。