[论文解读] Neutrino Telescope in Lake Baikal: Present and Future

Baikal-GVD Collaboration, A. D. Avrorin+51 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

Baikal-GVD 中微子望远镜在贝加尔湖运行，对能量高于 100 TeV 的高能中微子实现了 0.25 km³ 的有效探测体积，每年可探测到两到三个天体物理中微子事件。通过光学模块探测粒子簇射产生的切伦科夫光，该望远镜识别出高能簇射事件，并对 GW170817 事件的中微子通量设定了上限，推动了北半球多信使天文学的发展。

ABSTRACT

A significant progress in the construction and operation of the Baikal Gigaton Volume Detector in Lake Baikal, the largest and deepest freshwater lake in the world, is reported. The effective volume of the detector for neutrino initiated cascades of relativistic particles with energy above 100 TeV has been increased up to about 0.25 cubic kilometer. This unique scientific facility, the largest operating neutrino telescope in Northern Hemisphere, allows already to register two to three events per year from astrophysical neutrinos with energies exceeding 100 TeV. Preliminary results obtained with data recorded in 2016-2018 are announced. Multimessenger approach is used to relate finding of cosmic neutrinos with those of classical astronomers, with X-ray or gamma-ray observations and the gravitational wave events.

研究动机与目标

• 利用 Baikal-GVD 望远镜推进北半球高能中微子天文学。
• 探测来自遥远宇宙源（如活动星系核和中子星并合）的 100 TeV 以上天体物理中微子。
• 通过将中微子事件与伽马射线、X 射线和引力波观测相关联，为多信使天文学做出贡献。
• 搜索与 GW170817 引力波事件及其电磁对应体相关的高能中微子。
• 开发并实施先进的校准与数据分析技术，以提高中微子事例重建精度并抑制背景。

提出的方法

• Baikal-GVD 探测器采用三维阵列结构，由 288 个光学模块（OM）组成，安装在垂直钢丝绳上，每个 OM 包含一个 10 英寸光电倍增管（PMT），量子效率为 35%。
• 通过 OMs 检测中微子相互作用产生的相对论性粒子所辐射的切伦科夫光，信号采样频率为 200 MHz，时间分辨率达 2 ns。
• 全局触发系统通过相邻 OMs 脉冲的符合（阈值约为 2 和 5 个光电子）启动数据获取。
• 每个簇（每根钢丝绳 36 个 OMs，每簇 8 根钢丝绳）的数据通过 FPGA 缓存 5 µs，以 5 Mbit/s 的速率传至陆地。
• 利用时间标记的波形数据在实时进行事例重建，分别识别μ子轨迹和簇射事件。
• 多信使分析包括在 GW170817 事件前后 ±500 秒和 14 天的时间窗内，使用簇射模式重建搜索中微子信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 Baikal-GVD 探测器对能量高于 100 TeV 的高能中微子的有效体积和灵敏度是多少？
• RQ2 Baikal-GVD 能否探测到来自耀变体或中子星并合等天体源的天体物理中微子？
• RQ3 在假设 E⁻² 能谱和等量味通量的前提下，GW170817 事件的中微子通量上限是多少？
• RQ4 Baikal-GVD 在多信使天文学中的性能与其它中微子望远镜相比如何？
• RQ5 探测器能否识别出与天体物理中微子一致的高能簇射事件？

主要发现

• 截至 2018 年，Baikal-GVD 探测器对 100 TeV 以上中微子诱导簇射事件的有效体积约为 0.25 km³。
• 基于 2016–2018 年的数据，每年探测到约两到三个天体物理中微子事件，表明该望远镜具备运行灵敏度。
• 在 182 天的有效观测数据（2016 年）中，共识别出 5674 个中微子候选事例，其中包括 1 个事件具有 10 个触发点，144 个事件具有 6 个触发点。
• 尽管有两个簇处于运行状态，但在 GW170817 引力波触发前后 ±500 秒内未发现显著的中微子簇射事件。
• 在 90% 置信水平下，推导出 GW170817A 的中微子通量上限，假设能谱为 E⁻² 形状且各味通量相等，如图 4 所示。
• 该望远镜展示了重建高能簇射事件和μ子轨迹的能力，未来具备探测双脉冲信号和暗物质信号的潜力。