[논문 리뷰] Observing neutrinos from failed Supernovae at LNGS

G. Pagliaroli, Christoph A. Ternes|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이탈리아 그란 사소의 국립연구소(LNGS)에서 진행 중인 암흑물질 및 무중성자 이중베타붕괴 실험의 워터 보이드 영역을 활용하여, 실패한 핵붕괴 초신성에서 온 중성자를 관측하기 위한 무료이고 분산된 소형 워터 체레코프 검출기 네트워크로 활용하는 것을 제안한다. 이 네트워크는 블랙홀 형성 시점을 약 4ms의 정밀도로 측정할 수 있으며, 전자기 신호가 없더라도 VIRGO 및 애인슈타인 전기망과 같은 중력파 탐지기의 핵심 실시간 트리거가 될 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

We discuss the possibility to observe neutrinos emitted from a failed core collapse Supernova in the various experiments at Laboratori Nazionali del Gran Sasso. We show that the veto regions of dark matter and neutrinoless double beta decay experiments can be used as a network of small detectors to measure Supernova neutrinos. In addition we show that this network can measure very precisely the moment of black hole formation, which can be then used in the nearby VIRGO detector and future Einstein Telescope to look for the gravitational wave counterpart to the neutrino signal.

연구 동기 및 목표

• LNGS에서 진행 중인 중성자 및 암흑물질 실험의 기존 보이드 영역을 활용하여 초신성 중성자 탐지 네트워크로 재활용할 수 있는지의 가능성을 탐색하는 것.
• 이 네트워크가 실패한 초신성에서 블랙홀 형성 시점을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는지 확인하는 것.
• VIRGO 및 애인슈타인 전기망과 같은 중력파 관측소에 대해 모델에 종속되지 않은 실시간 트리거로서의 잠재력을 평가하는 것.
• 현재 및 향후 LNGS 검출기의 감도를 이용해 혁명성운까지의 실패한 초신성 중성자 신호 탐지 가능성을 예측하는 것.

제안 방법

• COSINUS, LEGEND-200, XENONnT의 세 개의 LNGS 실험에서 워터 보이드 영역을 활용하여 소형 워터 체레코프 검출기 네트워크로 활용하는 것.
• 블랙홀 형성 시간가(0.568초 및 2.113초)가 다른 두 가지 이론 모델(Model 1 및 Model 2)을 사용하여 실패한 초신성에서의 중성자 방출을 모델링하는 것.
• 중성자 유량 공식을 사용하여 사건률을 계산하는 것: $ \frac{d\Phi_{\alpha}^{0}}{dE_{\nu_{\alpha}}dt} = \frac{1}{4\pi d^{2}} \frac{L_{\nu_{\alpha}}(t)}{\langle E_{\nu_{\alpha}}(t)\rangle} \phi_{\alpha}(E_{\nu_{\alpha}},t) $, 에너지 스펙트럼은 $ \phi_{\alpha}(E_{\nu_{\alpha}},t) = \langle E_{\nu_{\alpha}}(t)\rangle \frac{1+\xi_{\alpha}}{\Gamma(1+\xi_{\alpha})} \left( \frac{E_{\nu_{\alpha}}}{\langle E_{\nu_{\alpha}}(t)\rangle} \right)^{\xi_{\alpha}} e^{-\frac{E_{\nu_{\alpha}}}{\langle E_{\nu_{\alpha}}(t)\rangle}} $ 로 정규화된 형태로 기술된다.
• 검출기 네트워크의 시간 해상도와 중성자 비행 시간을 고려하여 블랙홀 형성 탐지의 시간 불확실도를 추정하는 것.
• 시간 불확실도 $ \delta T^{\text{GW}}_{\text{BH}} = \delta T^{\text{LNGS}}_{\text{BH}} + \delta t_{\text{fly}} $ 를 평가하는 것. 여기서 $ \delta t_{\text{fly}} \leq 1 $ ms 이며, LNGS와 VIRGO 사이의 거리가 짧기 때문이다.
• 향후 감도를 예측하기 위해, 향후 LNGS에 구축 예정인 검출기들을 고려하여 통계 향상과 시간 불확실도 감소를 전제로 하는 것.

Figure 1 : Neutrino luminosity $L_{\nu_{\alpha}}$ and average energy $\langle E_{\nu_{\alpha}}\rangle$ as a function of time after the core bounce for Model 1 (solid lines) and Model 2 (dashed lines) discussed in the text. With a dashed gray line we highlight the time of the black hole formation in

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 LNGS 실험의 워터 보이드 영역이 실패한 초신성 신호를 위한 소형 중성자 검출기 네트워크로 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ2 이 검출기 네트워크를 사용하여 실패한 초신성에서 블랙홀 형성 시점을 얼마나 정밀하게 탐지할 수 있는가?
• RQ3 LNGS에서의 시간 불확실도는 슈퍼카미오카엔드와 같은 대규모 검출기와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 이 방법이 소스 방향에 대한 사전 지식 없이도 중력파 탐지기의 실시간, 모델에 종속되지 않은 트리거를 제공할 수 있는가?
• RQ5 보이드 영역의 역백색붕괴 이외의 탐지 채널(예: 탄성산란, 액체 스코린티레이터 등)을 포함함으로써 감도 향상 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• LNGS 워터 보이드 네트워크는 혁명성운까지의 실패한 초신성 중성자 신호를 탐지할 수 있으며, 감도는 주로 IBD 탐지 채널과 보이드 영역 크기에 의해 제한된다.
• 이 네트워크는 가장 느린 블랙홀 형성 모델(M2)에 대해 블랙홀 형성 시점을 4ms 이내의 시간 불확실도로 결정할 수 있다. 이는 3ms의 검출기 네트워크 불확실도와 ≤1ms의 비행 시간 불확실도 덕분이다.
• 이 시간 정밀도는 슈퍼카미오카엔드의 경우보다 뛰어나다. 슈퍼카미오카엔드는 더 긴 비행 시간으로 인해 총 불확실도가 28.3ms에 이르며, 심지어 더 낮은 내재적 시간 불확실도를 가진다 하더라도.
• 이 방법은 전자기 대응체가 없는 상황에서 매우 중요한 실시간, 모델에 종속되지 않은 중력파 탐지기 트리거를 제공한다.
• 분석은 보수적인 것으로, IBD와 보이드 영역만 고려했지만, 내부 검출기 영역과 탄성산란, 액체 스코린티레이터 등의 탐지 채널을 추가로 포함할 경우 감도 향상 가능성이 있다.
• 이 전략은 즉각적인 구현이 가능한 시기적 타당성을 지닌다. COSINUS와 LEGEND-200는 아직 보이드 영역 구성이 완료되지 않았기 때문에, 이 탐지 전략을 즉시 도입할 수 있다.

Figure 2 : Expected rate in Hz of IBD events in $1$ ton of water for different SN distances in kpc for emission Model 1 (solid lines) and Model 2 (dashed lines).