[论文解读] Neutrino Telescope Array Letter of Intent: A Large Array of High Resolution Imaging Atmospheric Cherenkov and Fluorescence Detectors for Survey of Air-showers from Cosmic Tau Neutrinos in the PeV-EeV Energy Range

M. Sasaki, George Wei-Shu Hou|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 7

一句话总结

中微子望远镜阵列（NTA）提出了一项大规模、广视野的观测计划，采用成像大气契伦科夫探测器和荧光探测器，用于探测能量范围在PeV-EeV之间的地球穿刺τ中微子簇射。通过利用具有亚度级指向精度的τ簇射地球穿刺方法，NTA旨在实现无背景、高灵敏度的巡天，从而为天体物理强子加速和宇宙射线起源提供确凿证据。

ABSTRACT

This Letter of Intent (LoI) describes the outline and plan for the Neutrino Telescope Array (NTA) project. High-energy neutrinos provide unique and indisputable evidence for hadronic acceleration. Recently, IceCube has reported astronomical neutrino candidates in excess of expectation from atmospheric secondaries, but is limited by the water Cherenkov detection method. A next generation high-energy neutrino telescope should be capable of establishing indisputable evidence for cosmic high-energy neutrinos. It should not only have orders-of-magnitude larger sensitivity, but also enough pointing accuracy to probe known or unknown astronomical objects, without suffering from atmospheric secondaries. The proposed installation is a large array of compound eye stations of imaging atmospheric Cherenkov and fluorescence detectors, with wide field of view and refined observational ability of air showers from cosmic tau neutrinos in the PeV-EeV energy range. This advanced optical complex system is based substantially on the development of All-sky Survey High Resolution Air-shower detector (Ashra) and applies the tau shower Earth-skimming method to survey PeV-EeV tau neutrinos. It allows wide (30 deg x 360 deg) and deep (~400 Mpc) survey observation for PeV-EeV tau neutrinos assuming the standard GRB neutrino fluence.In addition, it enjoys the pointing accuracy of better than 0.2 deg in essentially background-free conditions. With the advanced imaging of Earth-skimming tau showers in the wide field of view, we aim for clear discovery and identification of astronomical tau neutrino sources, providing inescapable evidence of the astrophysical hadronic model for acceleration and/or propagation of extremely high energy protons in the precisely determined direction.

研究动机与目标

• 通过克服IceCube等现有探测器的局限性，建立宇宙高能中微子的无可争议证据。
• 利用地球穿刺方法探测PeV-EeV能量范围的τ中微子，以实现高灵敏度和方向精度。
• 以亚度级指向精度巡天宇宙中微子源，实现对类星体和伽马射电暴等天体加速器的识别。
• 实现比现有中微子望远镜高数个数量级的灵敏度，特别是在超高能范围。
• 通过利用大气中τ簇射的独特特征，实现无背景环境，以探测天体物理中微子。

提出的方法

• 部署一个大型复合眼探测器站阵列，结合成像大气契伦科夫探测器和荧光探测器，实现30° × 360°的广视野观测。
• 采用地球穿刺探测方法，即高能τ中微子在地球中相互作用，产生τ轻子，其在大气中衰变产生可由地表仪器探测的广延空气簇射。
• 实施高分辨率成像，以亚度级角分辨率（优于0.2°）重建簇射几何结构和能量。
• 利用Ashra-1和NuTel项目的经验与硬件设计，降低开发风险并加速部署。
• 采用模块化设计，每个探测器单元（DU）包含四个光收集器和触发/读出系统，实现在四个站点的可扩展部署。
• 应用先进的触发和读出电子系统，高效识别并记录稀有、高能空气簇射事件，最大限度减少死时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模的契伦科夫与荧光探测器阵列能否通过地球穿刺方法实现PeV-EeV能量范围τ中微子的无背景探测？
• RQ2 该阵列设计下宇宙τ中微子的最小可探测通量是多少？与IceCube的灵敏度相比如何？
• RQ3 NTA能否实现亚度级指向精度，以识别高能中微子的天体物理源？
• RQ4 NTA探测τ中微子引发的空气簇射的有效巡天体积和深度（约400 Mpc）是多少？
• RQ5 Ashra-1原型机如何为完整NTA部署的设计与成本估算提供参考？

主要发现

• NTA设计的广视野（30° × 360°）和深巡天深度约为400 Mpc，适用于PeV-EeV ντ，假设标准GRB中微子通量。
• 探测系统预计可实现优于0.2°的指向精度，实现对天体物理中微子源的精确定位。
• 每个探测器单元（DU）的估算成本约为1亿日元，完整阵列的总建设成本估算为50亿日元。
• NTA计划在四个站点部署至少30个DU（Site0部署12个，Site1、Site2、Site3各6个），每个DU视场为32° × 32°，以实现全天覆盖。
• 项目计划于2017年初开始建设首个站点，预计2018年实现全面运行，前提是获得成功资助。
• Ashra-1原型机已被指定继续运行，并作为NTA开发的技术与数据验证平台。