[论文解读] The Baikal-GVD neutrino telescope: First results of multi-messenger studies

Baikal-GVD Collaboration, А. В. Аврорин+51 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本论文展示了Baikal-GVD中微子望远镜的首次多信使结果，重点研究了与GW170817及IC170922事件在高能中微子上的时间 coincident 情况。通过簇簇模式重建，未在GW170817事件前后±500秒内探测到中微子事例（天顶角93.3°），从而在90%置信水平下建立了中微子通量的上限，证明了探测器在低天顶角灵敏度下仍具备早期多信使警报能力。

ABSTRACT

Multi-messenger astronomy is a powerful tool to study the physical processes driving the non-thermal Universe. A combination of observations in cosmic rays, neutrinos, photons of all wavelengths and gravitational waves is expected. The alert system of the Baikal-GVD detector under construction will allow for a fast, on-line reconstruction of neutrino events recorded by the Baikal-GVD telescope and - if predefined conditions are satisfied - for the formation of an alert message to other communities. The preliminary results of searches for high-energy neutrinos in coincidence with GW170817/GRB170817A using the cascade mode of neutrino detection are discussed. Two Baikal-GVD clusters were operating during 2017. The zenith angle of NGC 4993 at the detection time of the GW170817 was 93.3 degrees. No events spatially coincident with GRB170817A were found. Given the non-detection of neutrino events associated with GW170817, upper limits on the neutrino fluence were established.

研究动机与目标

• 搜索高能中微子与多信使警报（包括引力波和耀变体爆发）的巧合。
• 验证Baikal-GVD警报系统在阵列早期建设阶段实时多信使后续追踪的能力。
• 为GW170817和IC170922等瞬变天体物理源建立中微子通量的上限。
• 评估簇簇模式与轨迹重建模式在探测高能中微子方面的性能。
• 通过测试高能中微子警报后续追踪流程，实现与ANTARES的未来协调。

提出的方法

• 采用切伦科夫辐射的簇簇模式重建，即中微子引发簇簇的信号，其角分辨率约为~4.5°（中位数），能量分辨率在E > 5 TeV时约为~30%。
• 基于脉冲数（每根缆线>6个脉冲）、顶点重建中的χ²值、似然值以及脉冲/无脉冲概率乘积等质量筛选条件。
• 在警报事件前后±500秒（即时）和±14天（延迟）的时间窗口内进行离线分析，限定天顶角范围为74° < θ < 150°。
• 在轨迹模式重建中采用基于BDT的算法处理μ子样事件，实现角分辨率<1°。
• 针对ANTARES高能中微子警报，使用±500秒、±1小时和±1天的时间窗口，在10°圆锥区域内进行后续分析。
• 估算大气背景为每天1.75个事例（ψ < 10°），以及每天0.5个事例（ψ < 5°），基于3个簇的统计。

实验结果

研究问题

• RQ1 Baikal-GVD望远镜能否探测到与GW170817引力波事件在时间上一致的高能中微子？
• RQ2 假设能量谱为E⁻²且各中微子味分布相等，GW170817和IC170922的中微子通量上限是多少？
• RQ3 Baikal-GVD警报系统在识别电磁和引力波瞬变源潜在中微子对应体方面有多高效？
• RQ4 在后续追踪窗口期间，目标方向的大气μ子和簇簇背景率是多少？
• RQ5 Baikal-GVD能否成功与外部中微子警报（如ANTARES）进行关联？

主要发现

• 尽管源位于地平线以下（天顶角93.3°），在GW170817事件前后±500秒或±14天内均未发现中微子事例。
• 在90%置信水平下，为每个能量十进制区间建立了GW170817的中微子通量上限，未探测到显著辐射。
• 在IC170922事件前后±1小时或±1天内未检测到中微子事例，且在耀变体TX-0506+056周围的角度距离分布中也未发现显著过量。
• 在10°圆锥区域内，簇簇事件的大气背景估计为每天1.75个事例（3个簇），5°圆锥内为每天0.5个事例。
• 在为期6个月的观测期内，未发现与ANTARES警报在时间-方向上的相关性，仅在5°范围内发现3个簇事例（2个簇），且均位于源方向附近。
• Baikal-GVD警报系统已正常运行，即使在仅两到三个簇激活的早期建设阶段，也具备实现早期多信使后续追踪的能力。