Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD

Георгий Тимофеевич Зацепин
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Описание детектора
840 сцинт. счетчиков
Масса сцинтиллятора 1000 т
Масса Fe 1000 т
Модульная структура
2 порога:
5 МэВ
0,7 МэВ
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Реакции взаимодействия нейтрино с веществом детектора
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Реакции взаимодействия нейтрино с веществом детектора
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Немного о реакциях на железе
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Поиск кластеров, состоящих из m сигналов в течение временного окна фиксированной ширины, ∆t.
Частота имитации события фоном, т.е. появления кластеров длительностью 20 с и множественностью >m:
fbk – темп счета фоновых событий
P(k; fbk∆t) - пуассоновская вероятность получить кластер множественностью k за время ∆t, если fbk∆t - среднее число фоновых импульсов
N – число интервалов за день
Критерии отбора событий-кандидатов
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

fbk=0.005 с-1 (темп счета фоновых событий при пороге 10 МэВ),
для получения события, вероятность имитации фоном которого равна один раз в 100 лет, требуется кластер из mmin=6 импульсов
fbk=0.29 с-1 (порог 5 МэВ) – из 25
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Минимальная множественность кластера как функция Fim. Квадраты соответствуют Ecut=5 МэВ и fbk=0,29 Гц, треугольники – Ecut=10 МэВ и fbk=0,005 Гц.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

В течение 5618 дней наблюдений кластеров-кандидатов на регистрацию антинейтринного всплеска от Сверхновых обнаружено не было, что позволяет установить верхний предел на частоту коллапсов Сверхновых, протекающих по Стандартной модели, равный 1/6,7 событий в год на 90% уровне достоверности
LVD Collaboration “Search for neutrino bursts with LVD at Gran Sasso”// Procs. of 31st ICRC, Lodz. - 2009
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Исследование событий-кандидатов (офф-лайн)
топологическое распределение импульсов (события от вспышки Сверхновой равномерно распределены в объеме детектора, тогда как фоновые чаще встречаются во внешних счетчиках);
энергетическое распределение (спектр фоновых импульсов быстро падает с увеличением энергии; взаимодействие нейтрино с железом имеет четкий пик около 7 МэВ; взаимодействие антинейтрино с протоном – Ферми-Дираковский спектр);
наличие низкоэнергичного импульса как признака взаимодействия антинейтрино с протоном.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Поиск нейтрино всех типов от гравитационных коллапсов
Два порога для энерговыделения в счетчике:
порог 5 МэВ позволяет зарегистрировать не только нейтринный всплеск от гравитационного коллапса звезды, протекающего по стандартной модели, но и гамма-кванты от снятия возбуждения ядер кобальта и железа. Это является признаком регистрации электронного нейтрино;
порог 10 МэВ позволяет зарегистрировать гамма-кванты от снятия возбуждения ядра углерода. При отсутствии сигнала в области 5 – 10 МэВ, это служит признаком регистрации других типов нейтрино – мюонного и тау.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Отбор счетчиков
Отклик детектора на атмосферные мюоны. Если темп счета мюонов либо спектр их энерговыделений сильно отличается от среднего, это указывает на проблемы в сцинтилляционных счетчиках или в электронике. Счетчики, исключаемые из анализа по этой причине, составляют не более 5% от общего количества.
Не рассматриваются счетчики с темпом счета (при МэВ)
(средний темп счета составляет с-1 счетчик-1). Эта проблема возникает либо при неполадках с электроникой либо при неправильной калибровке.
Не анализируются данные со счетчиков, которые «слишком часто» участвуют в регистрации кластеров событий.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Число счетчиков, включавшихся в анализ
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Отбор событий
Исключение мюонов
Одновременное (<200 нс) срабатывание до 4х счетчиков
Регистрация гамма-квантов от снятия возбуждения кобальта
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Энергетические спектры событий
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Поиск кластеров импульсов
N одиночных триггерных импульсов во временном интервале 3, 5, 10 и 20 сек для каждого триггерного импульса.
Выбор продолжительности временных интервалов определяется теоретическими предсказаниями о длительности нейтринного всплеска: 2,4 – 6 сек в модели вращающегося коллапсара, 10 – 20 сек в модели стандартного коллапса.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Распределение количества триггерных импульсов с энерговыделением выше 5 МэВ
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Статистического превышения количества кластеров над фоном не обнаружено
впервые поставлено экспериментальное ограничение на частоту коллапсов, не сопровождающихся всплеском излучения электронных антинейтрино:
Обработаны данные за 9,5 лет
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

В связи с отсутствием событий-кандидатов следует дополнительно проанализировать способность детектора зарегистрировать нейтринный всплеск от гравитационного коллапса звезды в Галактике за рамками Стандартной модели. Благоприятны ли фоновые условия для используемой процедуры отбора событий-кандидатов?
Можно построить распределения, за какое время внутренние счетчики каждой башни зарегистрируют триггерных импульсов с энерговыделением >5 МэВ (кластер множественности Ntrig).
Фоновые кластеры импульсов
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Среднее время, за которое башня регистрирует Ntrig импульсов, сек. Указаны статистические ошибки.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Триггеры без сопровождения
Рождается одна частица; нет специфической сигнатуры
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Темп счета триггеров без сопровождения
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Энергетическое распределение триггеров без сопровождения
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Заключение
Детектор LVD способен эффективно регистрировать нейтринную вспышку от гравитационного звездного коллапса в нашей Галактике не только при реализации Стандартной модели, в которой излучаются преимущественно электронные антинейтрино, но и в случае какой-либо другой модели (и модель вращающегося коллапсара – только одна из них) с испусканием нейтрино всех типов. Кластеров-кандидатов на нейтринные всплески от гравитационных коллапсов звезд за 9 лет работы детектора не обнаружено.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва

Заключение
Астрофизические параметры вспышки Сверхновой ещё не установлены достаточно точно, так что ситуация, вероятно, улучшится после того, как мы сможем наблюдать следующую вспышку. Поэтому необходимо подчеркнуть важность существования экспериментов, чувствительных к разным типам нейтрино. Желательно также иметь возможность идентификации канала нейтринного взаимодействия и измерения энергии приходящих нейтрино. Объединение детекторов в единую сеть, реагирующую на совпадения сигналов различных экспериментов во времени, позволяет не только существенно снизить требования к фону каждой установки, но и увеличивает достоверность событий, регистрируемых одновременно несколькими детекторами на пороге их чувствительности.
06.07.2010
В.В. Бояркин (LVD) "Поиск нейтрино всех типов от коллапсирующих звёзд" - 31 ВККЛ, Москва