[论文解读] Search for neutrino bursts from core collapse supernovae at the Baksan Underground Scintillation Telescope

R. V. Novoseltseva, M. M. Boliev+9 more|ArXiv.org|Oct 5, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本研究利用巴克桑地下闪烁体望远镜（BUST）对24.7年内的核心坍缩超新星中微子爆发进行了搜索，通过逆β衰变和核激发探测反中微子相互作用。实验在90%置信水平下设定了银河系核心坍缩事件年发生率的上限为0.093次/年，与未观测到爆发事件的结果一致。

ABSTRACT

Current status and results of the experiment on recording neutrino bursts are presented. The observation time (since 1980) is 24.7 years. The upper bound of collapse frequency in our Galaxy is 0.093 $y^{-1}$ (90% CL).

研究动机与目标

• 利用巴克桑地下闪烁体望远镜（BUST）探测银河系中核心坍缩超新星的中微子爆发。
• 通过长期中微子监测测量我们银河系中引力坍缩事件的发生率。
• 评估不同超新星坍缩情景（包括两阶段坍缩）的中微子信号可探测性。
• 基于背景事件与潜在爆发事件的统计分析，建立银河系核心坍缩超新星率的上限。

提出的方法

• BUST探测器位于850 m.w.e.深度，使用3156个液态闪烁体探测器（总质量330吨），通过逆β衰变反应记录中微子相互作用：$\overline{\nu}_e + p \to n + e^+$。
• 在20秒时间窗口内识别单个探测器中$e^+$沉积的单事件信号，以区分潜在的中微子爆发与背景。
• 通过仅使用三个较低的内部水平探测平面（130吨），实现背景抑制，其背景率较低，为0.02 s⁻¹。
• 针对不同的中微子能量谱和靶材料（氢、碳、铁），计算理论事件率，使用探测效率$\eta_1$、$\eta_2$、$\eta_3$和$\eta_{Fe}$。
• 统计建模假设背景事件服从泊松分布，$k$个事件在$\tau = 20$秒内的期望计数率为$p(k) = n \exp(-n\tau) (n\tau)^{k-1}/(k-1)!$。
• 在90%置信水平下，通过零事件的泊松概率$\exp(-f_{\text{col}}T) = 0.1$推导出银河系坍缩率的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于BUST的24.7年数据，银河系核心坍缩超新星率的上限是多少？
• RQ2 不同中微子能量谱（如12–15 MeV与30–40 MeV）如何影响BUST探测器中可探测事件信号？
• RQ3 BUST探测器能否通过时间和空间符合性区分单事件爆发与背景涨落？
• RQ4 在130吨内部探测器体积中，$\overline{\nu}_e + p \to n + e^+$反应产生的$e^+$的预期探测效率是多少？
• RQ5 涉及$^{12}$C和$^{56}$Fe核的反应如何增强对高能中微子爆发的可探测性？

主要发现

• 巴克桑地下闪烁体望远镜收集了24.7年的数据，未观测到与核心坍缩超新星一致的中微子爆发事件。
• 在90%置信水平下，银河系核心坍缩超新星率的上限为每年0.093次，该结果基于零事件的泊松概率推导得出。
• 对于标准12–15 MeV的$\overline{\nu}_e$爆发，内部探测平面中单事件的预期数量为$N^{H}_{\text{ev}} \simeq 38 \times \eta_1$，其中在10 MeV能量下$\eta_1 \approx 0.7$。
• 对于具有$\overline{E}_{\nu} = 30-40$ MeV的两阶段坍缩情景，预期事件率为$N^{C}_{\text{ev}2} = 16 \times \eta_2$（来自$^{12}$C*的$\gamma$射线发射）和$N^{C}_{\text{ev}3} = 30 \times \eta_3$（来自$^{12}$N衰变），其中$\eta_2 \approx 0.2$，$\eta_3 \approx 0.5-0.7$。
• 通过探测$\nu_e + ^{12}\text{C} \to ^{12}\text{N} + e^-$反应中$e^+$与$e^-$之间5–45 ms的时间延迟，可获得高能中微子爆发的显著特征。
• 探测器下部区域的8 mm铁层可实现对$\nu_e + ^{56}\text{Fe} \to ^{56}\text{Co}^* + e^-$的探测，预期事件数为$N^{\text{Fe}}_{\text{ev}} = 6.3 \times \eta_{\text{Fe}}(26\text{ MeV})$，其中在26 MeV能量下$\eta_{\text{Fe}} \approx 0.4$。