[论文解读] Real-time Monitoring for the Next Core-Collapse Supernova in JUNO

Abusleme, Angel, Adam, Thomas+630 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Neutrino Physics Research被引用 2

一句话总结

本文提出了一种用于JUNO实验的实时中微子监测系统，旨在实时探测核心坍缩超新星（CCSN）。通过使用低延迟触发的即时监控与在线监控，并采用无触发数据处理方案，JUNO实现了对预坍缩中微子的探测灵敏度，分别可达1.6 kpc（NO）或0.9 kpc（IO），对于类似参宿四的恒星，可提前141小时（NO）或73小时（IO）发出警报，且对超新星中微子的探测距离可达370 kpc。

ABSTRACT

The core-collapse supernova (CCSN) is considered one of the most energetic astrophysical events in the universe. The early and prompt detection of neutrinos before (pre-SN) and during the supernova (SN) burst presents a unique opportunity for multi-messenger observations of CCSN events. In this study, we describe the monitoring concept and present the sensitivity of the system to pre-SN and SN neutrinos at the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), a 20 kton liquid scintillator detector currently under construction in South China. The real-time monitoring system is designed to ensure both prompt alert speed and comprehensive coverage of progenitor stars. It incorporates prompt monitors on the electronic board as well as online monitors at the data acquisition stage. Assuming a false alert rate of 1 per year, this monitoring system exhibits sensitivity to pre-SN neutrinos up to a distance of approximately 1.6 (0.9) kiloparsecs and SN neutrinos up to about 370 (360) kiloparsecs for a progenitor mass of 30 solar masses, considering both normal and inverted mass ordering scenarios. The pointing ability of the CCSN is evaluated by analyzing the accumulated event anisotropy of inverse beta decay interactions from pre-SN or SN neutrinos. This, along with the early alert, can play a crucial role in facilitating follow-up multi-messenger observations of the next galactic or nearby extragalactic CCSN.

研究动机与目标

• 开发一种用于在JUNO实验中实时探测核心坍缩超新星（CCSN）中微子的监测系统。
• 通过在核心坍缩前探测预坍缩中微子爆发，实现对前身星的早期预警。
• 通过优化触发和数据处理，利用即时监控与在线监控阶段，确保高预警覆盖率和低延迟。
• 通过提供方向信息和扩展所有中微子味的能量灵敏度，提升多信使天文学。
• 通过实现对瞬态中微子信号的超低阈值探测，支持全球中微子、光学和引力波网络。

提出的方法

• 在触发板上实现即时监控，以实现最低延迟的事件即时识别。
• 在数据采集（DAQ）阶段部署在线监控，以确保高预警覆盖率并增强对误报的鲁棒性。
• 开发无触发数据处理方案，以保留与CCSN相关的信息并减少数据丢失。
• 使用全链路模拟事件样本，量化即时监控与在线监控的背景率与灵敏度。
• 整合多种相互作用通道（如逆β衰变等），以提高探测效率和方向重建能力。
• 设计多信使触发系统，能量阈值为O(10) keV，以扩展对低能瞬态中微子信号的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在正常中微子质量顺序（NO）和反常中微子质量顺序（IO）下，JUNO对30 M⊙恒星的预坍缩警报最大可探测距离是多少？
• RQ2 对于距离0.15 kpc的参宿四类恒星（15 M⊙），JUNO在NO和IO情况下可提前多久发出预坍缩警报？
• RQ3 对于10 kpc外的13 M⊙前身星，即时监控系统对超新星中微子的固有警报延迟是多少？
• RQ4 JUNO利用预坍缩和超新星中微子事件进行方向重建的精度如何？
• RQ5 多信使触发系统对低能（O(10) keV）中微子信号的灵敏度如何？

主要发现

• 在每年1次的误报率下，在线预坍缩监控系统可探测到距离达1.6 kpc（NO）或0.9 kpc（IO）的30 M⊙前身星。
• 对于距离0.15 kpc的参宿四类恒星（15 M⊙），可提前141小时（NO）或73小时（IO）发出预坍缩警报。
• 对于10 kpc外的13 M⊙前身星，使用Nakazato模型时，即时监控系统的固有警报延迟约为20 ms。
• 超新星中微子的探测范围可达370 kpc（NO）或360 kpc（IO），支持对遥远核心坍缩超新星的早期探测。
• 利用预坍缩事件进行方向重建，在0.15 kpc处对15 M⊙ Patton模型的指向分辨率可达56°（NO）或81°（IO）。
• 使用13 M⊙ Nakazato模型进行超新星中微子方向性分析，在10 kpc处的指向精度可达26°（NO）或23°（IO），支持多信使后续观测。