[論文レビュー] The IceCube Upgrade -- Design and Science Goals

A. Ishihara|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

アイスカウル・アップグレードは、検出器中央部に7本の新しい光学センサー（mDOMおよびD-Egg）を設置することで、既存のアイスカウルニュートリノオブザーバトリを強化し、ニュートリノ再構築の精度、キャリブレーション、ニュートリノ振動およびタウニュートリノ出現に対する感度を向上させる。このアップグレードにより、宇宙からのニュートリノの高精度な測定が可能となり、将来の8 km³規模のアイスカウル・ジェネシス2望遠鏡の重要な実験台ともなる。

ABSTRACT

The IceCube Neutrino Observatory at the geographic South Pole has reached a number of milestones in the field of neutrino astrophysics. The achievements of IceCube include the discovery of a high-energy astrophysical neutrino flux, and the temporal and directional correlation of neutrinos with a flaring blazar. The IceCube Upgrade, which will be constructed in the 2022/23 Antarctic Summer season, is the next stage of the IceCube project. The IceCube Upgrade consists of seven new columns of photosensors, densely embedded near the bottom center of the existing cubic-kilometer-scale IceCube Neutrino Observatory. An improved atmospheric neutrino event selection efficiency and reconstruction at a few GeV can be achieved with the dense infill of the Upgrade's photosensor array. The Upgrade will provide world-leading sensitivity to neutrino oscillations and will enable IceCube to take unique measurements of tau neutrino appearance with a high precision. Furthermore, the new array will also improve the existing IceCube detector. The Upgrade strings will include new calibration devices designed to deepen the knowledge of the optical properties of glacial ice and the detector response. The improved calibration resulting from the Upgrade will be applied to the entire archive of IceCube data collected over the last 10 years, improving the angular and spatial resolution of the detected astrophysical neutrino events. Finally, the Upgrade represents the first stage in the development of IceCube-Gen2, the next-generation neutrino telescope at the South Pole.

研究の動機と目的

• 新規のイン・サイトセンサーを用いた既存アイスカウル検出器のキャリブレーション向上により、宇宙からのニュートリノイベントの方位および空間分解能を向上させる。
• クリアなアイスが最も多く存在する地域に高密度でインストルメント化することで、ニュートリノ振動、特にタウニュートリノ出現に対する世界最高水準の感度を達成する。
• 氷の光学的性質および検出器応答に関する不確実性を低減することで、ニュートリノ誘発キャスケードの高精度再構築を実現する。
• 将来のアイスカウル・ジェネシス2向けに、例えば狭い穴に適合するmDOMやD-Eggなどの新センサー技術の開発および試験を行い、建設コストの低減とスケーラビリティの向上を図る。
• 10年分のアーカイブアイスカウルデータを再処理するためのキャリブレーションプラットフォームを提供する。

提案手法

• 2150 m〜2425 mの深度に、20 m × 3 mのグリッド上に7本の新しい光学センサーストリングを設置し、氷が最も澄んでおりミューオン背景が最小限である領域を対象とする。
• 各光学モジュールに高速LED、CCDカメラ、環境センサー（圧力、温度、磁場、加速度計）を統合し、イン・サイトキャリブレーションを実施する。
• 光の伝播および検出器応答を氷体積全体で測定するため、独立型のキャリブレーション装置（POCAM、ペンシルビーム、音響発信機）を設置する。
• 球対称およびコリメートド光源からの4π立体角の光測定を用い、氷結晶の二色性による光の非対称散乱をモデル化・補正する。
• 物理領域の上部および下部に、間隔の広い「特別キャリブレーション領域」を設け、リユースされたPDOMおよびプロトタイプセンサーを設置し、狭い穴への設置技術の研究開発を進める。
• 15 cm径の穴に適合する新センサー設計のイン・サイト性能評価を実施し、アイスカウル・ジェネシス2の将来の建設コスト低減に寄与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーのニュートリノ誘発キャスケードの方位分解能をどのように向上させれば、統計的限界に近づけるか？
• RQ2 氷の光学的性質および検出器応答のキャリブレーションを向上させることで、ニュートリノ再構築における系統的不確実性はどの程度低減できるか？
• RQ3 アップグレードされた検出器におけるタウニュートリノ出現の達成可能な感度は何か？また、それは宇宙論的距離でのニュートリノ振動測定をどのように向上させるか？
• RQ4 新しい光学センサーおよびキャリブレーション技術は、宇宙からのニュートリノのフレーバー同定および方向再構築の精度をどのように向上させるか？
• RQ5 次世代センサーの性能特性は何か？また、それらはアイスカウル・ジェネシス2の実現可能性をどのように裏付けるか？

主な発見

• アイスカウル・アップグレードにより、高エネルギーのニュートリノ誘発キャスケードの方位分解能が向上し、300 TeVで10°未満、1 PeVで5°未満の再構築不確実性にまで低減され、統計的限界に近づく。
• 向上したキャリブレーションプログラムにより、キャスケード再構築における系統的誤差が低減され、10年分のアーカイブデータセットにおけるニュートリノ点源探索の精度が向上する。
• アップグレードにより、ニュートリノ振動、特に100 TeV〜10 PeVエネルギー範囲でのタウニュートリノ出現に対する世界最高水準の感度が達成される。
• 検出器中央部に高密度に光学センサーをインフィルすることにより、数GeVのエネルギー帯での大気ニュートリノイベント選別効率が向上し、低エネルギー物理の探査範囲が拡大される。
• 新しいキャリブレーションインfraストラクチャのおかげで、氷および検出器応答の理解を向上させ、過去のアイスカウルデータを再処理可能となり、既存データの科学的利活用が向上する。
• アップグレードはアイスカウル・ジェネシス2の重要なR&Dプラットフォームとして機能し、新センサー設計および狭い穴への設置技術の妥当性を検証しており、建設コストを最大50％まで低減可能であると示唆している。