ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2021, том 47, № 2, с. 114-124

СЛЕЖЕНИЕ ЗА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ НЕЙТРИНО НА

БАЙКАЛЬСКОМ НЕЙТРИННОМ ТЕЛЕСКОПЕ BAIKAL-GVD

И. А. Белолаптиков⁴, В. Б. Бруданин⁴, Н. М. Буднев⁵, А. Р. Гафаров⁵, К. В. Голубков¹,

Н. С. Горшков⁴, Т. И. Гресь⁵, Р. Дворницкий⁴, В. Я. Дик⁴, Ж.-А. М. Джилкибаев^1*,

Г. В. Домогацкий¹, А. А. Дорошенко¹, А. Н. Дьячок⁵, Е. Еркелова³, Т. В. Елжов⁴,

Д. Н. Заборов¹, Р. А. Иванов⁴, М. С. Катулин⁴, К. Г. Кебкал², О. Г. Кебкал², В. А. Кожин⁶,

М. М. Колбин⁴, К. В. Конищев⁴, К. А. Копанский⁷, А. В. Коробченко⁴, А. П. Кошечкин¹,

М. В. Круглов⁴, М. К. Крюков¹, В. Ф. Кулепов⁸, М. В. Миленин⁴, Р. Р. Миргазов⁵,

В. Назари⁴, Д. В. Наумов⁴, В. Нога⁷, Д. П. Петухов¹, Е. Н. Плисковский⁴,

М. И. Розанов⁹, В. Д. Рушай⁴, Е. В. Рябов⁵, Г. Б. Сафронов¹, Ф. Симкович^4,3,

А. В. Скурихин⁶, А. Г. Соловьев⁴, М. Н. Сороковиков⁴, И. Стекл¹⁰, О. В. Суворова^1**,

Е. О. Сушенок⁴, В. А. Таболенко⁵, Б. А. Таращанский⁵, Л. Файт¹⁰, С. В. Фиалковский⁸,

Е. В. Храмов⁴, Б. А. Шайбонов⁴, М. Д. Шелепов¹, Ю. В. Яблокова⁴, С. А. Яковлев²

¹Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия

²EvoLogics GmbH, Берлин, Германия

³Comenius University, Братислава, Словакия

⁴Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия

⁵Иркутский государственный университет, Иркутск, Россия

⁶Институт ядерной физики им. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

⁷The Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) in Krak ´ow, Кракoв, Польша

⁸Нижегородский государственный технический университет, Нижний Новгород, Россия

⁹Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург,

Россия

¹⁰Czech Technical University in Prague, Прага, Чешская Республика

Поступила в редакцию 20.11.2020 г.

После доработки 26.11.2020 г.; принята к публикации 26.11.2020 г.

Глубоководный нейтринный эксперимент Baikal-GVD участвует в международной программе мульти-

мессенджер по обнаружению астрофизических источников космических частиц высоких и сверхвы-

соких энергий, находясь на стадии развертывания установки и поэтапного увеличения эффективного

объема телескопа до масштаба кубического километра. В настоящее время телескоп состоит из

семи кластеров, содержащих 2016 фотодетекторов. Эффективный объем детектора достиг 0.35 км³ в

задаче выделения ливневых событий от взаимодействия нейтрино в байкальской воде. С 2015 г. набор

экспериментальных данных ведется в режиме постоянной экспозиции, что позволяет реализовать

оперативный анализ данных и программу мониторинга небесной сферы в реальном времени. В

статье обсуждается структура системы сбора данных, описана процедура восстановления физических

событий в режиме быстрого отклика на оповещение (алерт), и представлены результаты анализа

девяти алерт событий полярного телескопа IceCube c начала сентября до конца октября 2020 г.

Ключевые слова: астрофизические нейтрино, оповещения, Байкал.

DOI: 10.31857/S0320010821020017

^*Электронный адрес: djilkib@yandex.ru

^**Электронный адрес: suvorova@inr.ru

114

СЛЕЖЕНИЕ ЗА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ НЕЙТРИНО

115

ВВЕДЕНИЕ

результат совместного анализа был представлен

в работе (Гаррэ и др., 2020). Автоматизирован-

За последние несколько лет астрономия и аст-

ная сеть AMON (Смит и др., 2013) принимает

рофизика получили значительное развитие благо-

информацию телескопа IcеCube онлайн и при

даря результатам исследований в рамках междуна-

восстановлении мюонной траектории с оценкой

родной программы многоканального (мультимес-

энергии выше сотни ТэВ передает алерт в циркуляр

сенджер) поиска источников космического излу-

оповещений астрономических событий GCN (сайт

чения на разных длинах волн. Cоздана и расши-

архива). В статье представлены результаты от-

ряется роботизированная сеть телескопов с опти-

слеживания алертов на Baikal-GVD по девяти

мизированной системой связи между ними, обес-

событиям телескопа IceCube c начала осени

печивающей быстрый обмен оповещениями о ре-

2020 г. Полученные ограничения на нейтринный

гистрации сигнала на одной из установок, и на-

поток в направлении алертов относятся к анализу

блюдение за его источником на всех остальных.

Сканирование одной и той же области небесной

данных кластеров Baikal-GVD как независимых

детекторов нейтрино.

сферы на разных длинах волн: в электромагнитном

излучении от радиоволн до гамма-излучения, в

потоках частиц космических лучей и нейтрино, в

ГЛУБОКОВОДНЫЙ НЕЙТРИННЫЙ

гравитационных волнах, улавливаемых антеннами-

ТЕЛЕСКОП BAIKAL-GVD

интерферометрами, — обеспечивает более полную

информацию о природе и свойствах наблюдаемых

Глубоководный нейтринный телескоп Baikal-

источников.

GVD создается в южной части оз. Байкал (Ав-

Измерениям на нейтринных телескопах с объ-

рорин и др., 2020а). Географические координаты

емом порядка кубического километра доступны

установки 51.77◦ северной широты и 104.415◦

энергии нейтрино выше ста тераэлектронвольт

восточной долготы. Телескоп имеет модульную

(ТэВ). В этой области энергий присутствие ней-

структуру и состоит из кластеров. Каждый кла-

тринной компоненты внеатмосферного происхож-

стер представляет собой полнофункциональный

дения впервые было обнаружено в экспериментах

детектор, оснащенный системами регистрации,

на нейтринном телескопе IceCube на Южном

формирования триггера, калибровки, позицио-

полюсе (Арстен и др., 2013a,б) и подтверждено его

нирования и сбора данных. В состав кластера

данными за семь лет наблюдений (Арстен и др.,

входит 288 фотодетекторов (оптических модулей),

2019). Кроме того, на это указывает и результат

предназначенных для регистрации черенковского

совместного анализа с данными глубоководного

излучения, генерированного продуктами взаимо-

телескопа ANTARES в Средиземном море за

действия нейтрино высоких энергий в воде: мюона-

десять лет измерений (Алберт и др., 2020). Однако

ми и каскадными ливнями. Светочувствительным

астрофизические источники зарегистрированных

элементом оптического модуля является фотоэлек-

высокоэнергичных нейтрино не идентифицирова-

тронный умножитель Hamamatsu R7081-100 с

ны. Возможное решение проблемы в настоящее

полусферическим фотокатодом диаметром 25 см.

время видится в формировании широкой сети

Оптические модули (OM) кластера размещены

оповещений о нейтринном событии для совмест-

равномерно на восьми гирляндах в диапазоне

ного анализа результатов разных детекторов.

глубин от

1275

до

750

м. Расстояние между

Нейтринный алерт IC170922A с энергией выше

гирляндами в кластере составляет 60 м, расстояние

300 ТэВ, зарегистрированный телескопом IceCube

между центрами кластеров 300 м. Эффективный

в направлении блазара TXS 0506+05 в период

объем одного кластера в задаче регистрации

его активности в 2017 г. (Арстен и др., 2018),

каскадных ливней высокой энергии составляет

мотивировал мультиволновые наблюдения данного

около 0.05 км³.

астрофизического источника (Арстен и др., 2018) и

Помимо системы регистрации черенковского

большое число теоретических работ о механизмах

излучения, кластер оснащен рядом вспомогатель-

генерации нейтринных потоков от таких объектов,

ных систем, необходимых для калибровки измери-

как активные галактические ядра (из недавних ра-

тельных каналов детектора и определения коорди-

бот см., например, статьи (Плавин и др., 2020а,б).

нат OM. Калибровка осуществляется при помощи

Автоматическая система TAToO (Дорник и др.,

светодиодных источников света, установленных в

2011), реализованная на телескопе ANTARES,

каждом оптическом модуле, и матриц светодиодов,

формирует алертный триггер и реконструкцию

размещенных на каждой гирлянде кластера (Авро-

направления траекторий мюонов в реальном

рин и др., 2020б). Для определения координат OM

времени с точностью до 0.5^◦ от взаимодействия

используется акустическая система позициониро-

нейтрино с энергиями выше нескольких ТэВ.

вания. На каждой гирлянде размещены 4 акусти-

Коллаборация Baikal-GVD получает оповещения

ческих модема. Это обеспечивает точность восста-

ANTARES с декабря 2018 г. Предварительный

новления координат оптических модулей, располо-

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

116

АВРОРИН и др.

женных между модемами, на уровне 20 см (Авро-

Система сбора данных

рин и др., 2019а).

Для первичной обработки, реконструкции со-

Основным структурным элементом системы

бытий и дальнейшего анализа данных Baikal-

сбора данных Baikal-GVD является секция OM,

GVD разработано специализированное программ-

в состав которой входят 12 оптических модулей, до

ное обеспечение BARS (Baikal Analysis and

двух акустических модемов системы позициониро-

Reconstruction Software) (Шайбонов и др., 2017а).

вания и отдельный модуль сбора данных. В насто-

Оно состоит из двух программных пакетов. Первый

ящее время на каждой гирлянде кластера Baikal-

из них — это набор С++ программ, написанный в

GVD размещаются по три секции. Триггерная

единой программной среде на базе ROOT (Брюн,

логика модуля сбора данных секции анализирует

Радемейкерс, 1997) и выполняющий задачи об-

амплитуды входных сигналов и, в случае корре-

работки данных, зависящих друг от друга в том

лированного во времени превышения заданных

смысле, что выходные данные одной программы

порогов на двух соседних оптических модулях,

используются в качестве входных данных дру-

формирует сигнал запрос. Сигналы запрос от всех

гими программами. Второй из них — это набор

секций поступают в центр сбора данных кластера,

программ, написанный на Python на базе пакета

где формируется сигнал подтверждение (триггер

luigi (сайт луиджи), который занимается запуском

кластера), который одновременно передается на

С++ программ в нужной последовательности и

все секции, обеспечивая синхронность их работы.

отслеживанием их исполнения. В течение осе-

Сбор данных осуществляется под управлением

ни

2020

г. Байкальский телескоп Baikal-GVD

трех независимых программных модулей, которые

впервые вышел на режим онлайн анализа пер-

формируют три канала сбора информации. По

вичных данных. Обработка внешнего оповеще-

первому каналу передаются результаты измерений

ния и формирование собственного оповещения

сигнало-откликов ОМ: о форме, суммарном заряде

о высокоэнергичном нейтрино осуществляются в

и времени регистрации всех импульсов, которые

результате реконструкции событий после заверше-

были сформированы фотоэлектронными умножи-

ния последовательной цепочки передачи данных

телями OM в интервале времени ±2.5 мкс по

от подводного телескопа на берег по оптоволо-

отношению ко времени поступления триггерного

конному кабелю в г. Байкальск по радиоканалу

сигнала. Второй канал предназначен для переда-

(300 Мб/сек) и далее по каналу Internet в центр

чи результатов измерений координат акустических

обработки и хранения данных ОИЯИ. На данный

модемов. На основании этих данных восстанав-

момент полностью реализован и эксплуатируется

ливаются координаты OM, которые используются

так называемый порановый режим обработки

в процессе реконструкции характеристик физи-

информации, когда старт обработки наступает при

ческих событий. Третий канал используется для

получении всех файлов сеанса набора данных.

передачи данных мониторинга параметров аппа-

Длительность обработки сеанса и, соответственно,

ратуры измерительных каналов, состояния и про-

задержка формирования оповещения о событии

странственной ориентации OM в горизонтальной

с заданными характеристиками зависят от чис-

плоскости и относительно вертикальной оси.

ла файлов в сеансе (который, в свою очередь,

Для синхронизации кластеров друг с другом в

зависит от уровня фонового свечения озера) и,

центр сбора данных каждого кластера из Берего-

как правило, составляют 3-5 ч. Для того чтобы

вого центра по индивидуальным оптическим ли-

уменьшить задержку между реальным временем

ниям (каналам синхронизации) передается общая

события и доступностью обработанных данных,

тактовая частота, что обеспечивает синхронный

разрабатывается так называемый пофайловый

ход часов кластеров (Голубков и др., 2019). Для

режим работы, когда обработка начинается сразу

определения временных сдвижек между ходом ча-

же, как только отдельный файл сеанса появится

сов измеряются задержки прохождения сигналов

в основном хранилище данных. Как правило,

по каналам синхронизации. Привязка к мировому

временной интервал с момента формирования

времени осуществляется при помощи GPS.

файла на Береговом центре и до появления его

в хранилище данных составляет менее

мин.

Первый полномасштабный кластер Baikal-

Обработка одного файла занимает несколько

GVD был введен в эксплуатацию в

2016

г.,

минут.

после успешной работы демонстрационного кла-

стера “Dubna”, с числом модулей 192 в течение

2015 г. (Аврорин и др., 2015). В 2020 г. введены

РЕКОНСТРУКЦИЯ СОБЫТИЙ

в эксплуатацию семь кластеров. В настоящее

время байкальский глубоководный детектор пред-

Эксперименты по регистрации нейтрино на глу-

ставляет собой крупнейший нейтринный телескоп

боководных либо подледных нейтринных телеско-

Cеверного полушария Земли.

пах базируются на регистрации черенковского из-

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

СЛЕЖЕНИЕ ЗА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ НЕЙТРИНО

117

0.07

45 000

40 000

0.06

35 000

0.05

30 000

0.04

25 000

20 000

0.03

15 000

0.02

10 000

0.01

5000

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

18 20

Mismatch angle (deg)

Рис. 2. Распределение событий по углу между разыг-

Рис. 1. Распределение событий по углу между разыг-

ранным и восстановленным направлениями ливней,

ранным направлением нейтрино со спектром E-2 и

усредненное по изотропному распределению разыг-

восстановленным направлением мюона, усредненное

ранных направлений. Вертикальная линия на рисунке

по изотропному распределению разыгранных направ-

указывает на значение медианного угла распределения,

лений.

равного 4.5^◦.

лучения вторичных мюонов и каскадов заряжен-

от естественного свечения байкальской воды зави-

ных частиц, образующихся в результате взаимо-

сит от глубины и времени года и составляет 20-

действия нейтрино с веществом. Мюонная мода

50 кГц на нижних и средних секциях телескопа.

применима для регистрации мюонных нейтрино при

На верхних секциях в летние месяцы темп счета

взаимодействии нейтрино с веществом через за-

может достигать 100 кГц. Критерии предваритель-

ряженные токи. Каскадная мода применяется при

ного отбора импульсов, используемых для восста-

взаимодействии электронных и тау нейтрино через

новления траекторий мюонов, базируются на ха-

заряженные токи и при взаимодействии всех трех

рактеристиках фотодетекторов, и в первую очередь

типов нейтрино через нейтральные токи. Следует

на их угловой чувствительности и расположении в

отметить, что в случае взаимодействия мюонных

пространственной решетке всех оптических моду-

нейтрино в чувствительном объеме телескопа че-

лей. Процедура отбора импульсов снижает вклад

рез заряженные токи также возникает адронный

фоновых срабатываний до 1%.

каскад, который регистрируется фотодетекторами

Траектория мюона описывается пятью пара-

установки.

метрами: координаты точки пересечения мюона

с плоскостью, проходящей через геометрический

центр кластера перпендикулярно траектории мюо-

Восстановление мюонных треков

на, зенитный и азимутальный углы и время прохож-

дения мюоном заданной точки в пространстве. Ал-

Процедура восстановления траектории одиноч-

горитм восстановления траектории мюона заклю-

ного мюона была разработана и применялась ранее

чается в минимизациии функционала Q(t, r, q) =

для обработки данных Байкальского нейтринного

= χ²(t) + w · f(q,r), где χ²(t) = Σ(t_exp - t_th)²/σ²,

телескопа НТ-200 (Белолаптиков и др., 1997; Бaл-

t_exp — измеренное время импульса в оптическом

канов и др., 1999). Аналогичная схема восстанов-

модуле, t_th — ожидаемое время от данного трека

ления траекторий мюонов в случае одного кластера

в предположении прямого черенковского света от

Baikal-GVD была реализована и встроена в об-

мюона, σ — точность измерения времени, f(q, r) —

щую программную среду BARS обработки и ана-

сумма произведений заряда, зарегистрированного

лиза данных Байкальского эксперимента. Пред-

в оптическом модуле, и расстояния от оптического

варительными этапами анализа эксперименталь-

модуля до трека, а величина w — относительный

ных данных байкальского нейтринного телескопа

вклад (“вес”) этого слагаемого, пропорциональный

в задачах регистрации мюонов и ливней высоких

величине заряда.

энергий являются подавление фоновых импульсов

и выделение импульсов оптических модулей, ини-

Основным источником фона при выделении

циированных мюонами и ливнями. Частота сра-

нейтрино снизу являются события от атмосферных

батывания фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)

мюонов, реконструированные как события снизу.

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

118

АВРОРИН и др.

Start IC200911A

IC200911A Bronze

Start IC200916A

IC200916A Bronze

Start IC200921A

IC200921A Bronze

Start IC200926A

IC200926A Gold

IC200926B Bronze

Start IC200926B

IC200929A Gold

Start IC200929A

IC201007A Gold

IC201014A Bronze

Start IC201007A

IC201021A Bronze

Start IC201014A

Start IC201021A

100

150

200

250

300

350

Azimuth

Рис. 3. Суточные траектории фиксированных экваториальных направлений девяти алертов в горизонтальных координа-

тах телескопа Baikal-GVD.

Для выделения событий от нейтрино и подавления

Выделение ливней высоких энергий

фоновых событий от мюонов был разработан набор

Поиск нейтрино высоких энергий астрофизи-

критериев на оценку качества восстановления тре-

ческой природы по каскадной моде предполагает

ка. Ограничение сверху на величину функционала

выделение и восстановление параметров вторич-

Q(t, r, q), приведенную на число свободных пара-

ных ливней высоких энергий, возникающих при

метров, является одним из наиболее эффективных

взаимодействии нейтрино с веществом в чувстви-

условий для отбора нейтрино, как представлено на

тельном объеме телескопа. Подавление фоновых

импульсов от собственного свечения среды в дан-

рис. 3 в работе (Заборов и др., 2020). Другими

ной задаче достигается в значительной степени

важными параметрами в отборе событий снизу

за счет повышения допустимого значения заря-

являются ограничения на значения вероятностей

да импульсов электронных фотоумножителей, ис-

сработавшим каналам кластера сработать и несра-

пользуемых в анализе данных. Благодарая тому,

ботавшим каналам не сработать. Кроме того, для

что уровень собственного свечения водной среды

обеспечения достаточной длины трека в одном

составляет порядка одного фотоэлектрона (ф.э.),

кластере отбирались события с зенитными углами

пороговое значение в 1.5 ф.э. позволяет пода-

Θ_zenith > 120^◦. Медианное угловое разрешение для

вить число фоновых импульсов до уровня 1-2%.

треков, прошедших отбор, составляет 1.27^◦, как

Восстановление координат, энергии и ориентации

видно на рис. 1, в распределении углов разлета

ливней, регистрируемых телескопом Baikal-GVD,

между направлениями нейтрино, симулирован-

проводится в два этапа (Аврорин и др., 2009,

ными методом Монте-Карло с энергетическим

Шайбонов и др., 2017б). На первом этапе восста-

навливаются координаты ливня. Процедура вос-

спектром E-2, и восстановленными траекториями

становления заключается в минимизации функци-

мюона. Алгоритм восстановления треков и отбор

онала χ2t с использованием временной информации

нейтринных событий на Baikal-GVD представлены

сработавших каналов телескопа. На втором этапе

в работах (Заборов и др., 2020, Сафронов и др.,

проводится восстановление энергии и направления

2020). Следует отметить, что в задаче поиска

оси ливня, используя амплитудную информацию от

нейтрино от локальных источников, ассоцииро-

ОМ и характерное угловое распределение черен-

ванных с алертами от других установок, фоновые

ковского поля фотонов каскада, методом наиболь-

ограничения существенно мягче, что позволяет

шего правдоподобия с использованием восстанов-

вести наблюдения в области горизонта.

ленных на первом этапе координат ливня. В ка-

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

СЛЕЖЕНИЕ ЗА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ НЕЙТРИНО

119

10⁴

10³

10²

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Number of clusters

Рис. 4. Частота мультикластерных событий в сутки. По оси абсцисс — число кластеров в совпадении событий во

временном окне, соответствующем расстоянию между кластерами.

честве полярного и азимутального углов, характе-

небесной полусфере. Алертные события треко-

ризующих направление развития ливня, и энергии

вые, с направлением снизу вверх для IceCube, с

ливня выбираются значения переменных θ, φ и E_sh,

хорошей точностью восстановления направления

соответствующие максимальному значению функ-

мюона: около 0.5^◦ (категория “gold”) и до 2.5^◦

ционала оптимизации. Распределение событий по

(“bronze”) (Блoуфас и др., 2019). Оценка энергии

углу ψ между разыгранным и восстановленным

этих событий приводится в табл. 1, все они выше

направлениями ливней для одного кластера Baikal-

100 ТэВ и два значения - выше 600 ТэВ. Нейтрин-

GVD приводится на рис. 2. Медианный угол этого

ные алерты являются хорошими кандидатами на

распределения равен 4.5^◦. Точность восстановле-

астрофизические события, при том что вероятность

ния энергии ливня для одного кластера составляет

их внеатмосферного происхождения около 50% для

26-30% в зависимости от энергии ливня и числа

категории “gold” и ∼30% для “bronze” (Блoуфас

сработавших оптических модулей в событии. Даль-

и др., 2019). Потоки нейтрино от источников се-

нейшее повышение качества процедур выделения

верного неба на Baikal-GVD наблюдаются в боль-

ливневых событий и восстановления параметров

шинстве случаев как ниcходящие. Соответствен-

ливней достигается за счет применения допол-

но, в направлении алертов от IceCube на Baikal-

нительных ограничений на значения специальных

GVD восстановление ливневых событий эффек-

параметров, характеризующих событие.

тивнее трековых, но фон в обоих случаях зависит

от временного окна относительно оповещения.

В настоящее время информация об алертах те-

АНАЛИЗ ДАННЫХ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ

лескопа IceCubе считывается по сообщениям цир-

ОПОВЕЩЕНИЯ

куляра GCN (сайт архива). Суточные траектории

наблюдения алертов в горизонтальных координа-

Алерты осенней серии измерений на телескопе

тах Baikal-GVD показаны на рис. 3, где фикси-

IceCube

рованные координаты алертов обозначены цветны-

За сентябрь-октябрь 2020 г. число оповещений

ми символами “прямой крестик”. Как видно, для

о регистрации высокоэнергичных нейтрино теле-

телескопа Baikal-GVD шесть событий находятся

скопом IceCube на Южном полюсе оказалось ре-

в верхней полусфере, три - в нижней. Однако

кордным по частоте в месяц за все время наблю-

алерты IC200921A, IC200926A и IC20107A распо-

дений: шесть событий в сентябре, три в октябре.

ложены недостаточно низко под горизонтом, чтобы

Источники алертов зарегистрированы в Северной

в трековой моде реконструкции выделить вокруг

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

120

АВРОРИН и др.

180

IC200916A Bronze

160

IC201014A Bronze

IC201021A Bronze

140

Start IC200916A

Start IC201014A

120

Start IC201021A

Cascade of GVD for IC201014A

100

Location of IC201014A during the GVD cascade

100

150

200

250

300

350

Azimuth

Рис. 5. Суточные траектории алертов IC200916A, IC201014A, IC201021A (обозначение цветом и “крестиком” в рамке

легенды) в горизонтальных координатах телескопа Baikal-GVD. Звездочкой показано положение восстановленного

ливневого события (красным цветом). Подробнее в тексте.

них восстановленные траектории по критериями

пяти градусов от направления на положение алерта

качества нейтринных событий на Baikal-GVD (см.

на небесной сфере. Восстановленные координаты

предыдущий раздел). Критерии отбора околого-

этого события в экваториальной системе: 221◦

ризонтных нейтрино по мюонным траекториям в

(восхождение) и 14.8^◦ (склонение). В событии во-

настоящее время на стадии исследования как на

семь сработавших модулей, а его восстановленная

отдельном кластере, так и в мультикластерных со-

энергия составляет 5 ТэВ. Вероятность появления

бытиях. Пример раcпределения событий на разных

такого события в конусе углового разрешения оце-

кластерах по кратности совпадения времен показан

нивается на уровне фона от атмосферных мюонов.

на рис. 4. Предварительный анализ восстановлен-

ных треков во временных совпадениях кластеров не

В поиске событий на совпадение с алертами IC

выявил их общих событий.

по каскадной моде из соответствующих наборов

экспериментальных данных отбирались события,

удовлетворяющие критериям отбора ливней с мно-

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

жественностью сработавших оптических модулей

N_hit > 7, проводилась реконструкция направления

В данном разделе обсуждаются результаты по-

и энергии ливней, и определялся угол ψ между

иска нейтрино, ассоциированных с девятью опо-

направлением на положение источника нейтрино

вещениями IceCube, основанные на выделении и

на небесной сфере и направлением на возможный

анализе каскадных событий. Среди рассматрива-

источник выделенного каскада. В качестве собы-

емых алертов триплет IC200916A, IC201014A и

тий, ассоциированных с соответствующим алертом

IC201021A выделяется тем, что есть совпадение

значений их склонений с точностью до десятых до-

IC, выбирались каскады со значением ψ < 5^◦. В

лей градуса. Cоответственно, суточные траектории

результате анализа наборов данных для девяти IC

их наблюдения в горизонтальных координатах оди-

алертов (см. табл. 1) были выделены три каскадных

наковы, что видно на общем графике траекторий на

события для алертов IC200926B, IC200929A и

рис. 3. На рис. 5 представлена траектория для этих

IC201014A во временных интервалах ±12 ч, и не

событий IceCube вместе с координатами ливне-

было выявлено событий во временных интервалах

вого события (светло-синий крестик), зарегистри-

±1 ч. Основным источником фоновых событий

рованного на Baikal-GVD через 4.96 часа после

в данном анализе являются группы атмосферных

алерта IC201014A на угловом расстоянии менее

мюонов и каскады, генерируемые атмосферными

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

СЛЕЖЕНИЕ ЗА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ НЕЙТРИНО

121

Таблица 1. Верхние пределы на 90% д.у. на потоки нейтрино E² · F (E) [ТэВ см-2] в направлениии прихода алертов

для спектра в источнике E-2

Уровень

Предел

Событие

Энергия,

Высота,

N_obs

N_bg

Алерт

Тип

значи-

E² · F(E),

GCN

ТэВ

градусы

±12 ч

в сутки

мости

ТэВ см-2

IC200911A

28411

Bronze

110.79

23.2

0.33

1.43 × 10-3

IC200916A

28433

Bronze

110.48

30.3

0.29

1.12 × 10-3

IC200921A

28468

Bronze

117.17

-10.6

0.36

1.13 × 10-3

IC200926A

28504

Gold

670.50

-28.2

0.19

1.14 × 10-3

IC200926B

28509

Bronze

121.42

22.3

0.39

0.32

2.5 × 10-3

IC200929A

28532

Gold

182.89

41.1

0.35

0.29

2.5 × 10-3

IC201007A

28575

Gold

682.65

-32.5

0.25

1.12 × 10-3

IC201014A

28616

Bronze

146.93

29.5

0.44

0.36

2.44 × 10-3

IC201021A

28715

Bronze

105.27

47.1

0.37

1.37 × 10-3

мюонами высоких энергий. Ожидаемое число фо-

конусе на источник, предельное значение числа

новых событий N_bg в конусе 5^◦ для каждого алерта

ожидаемых событий на 90% доверительном уровне

определялось по полному набору данных Baikal-

(д.у.) составляет n_90% = 2.44, а в случае алертов

GVD за 2019 г. (апрель 2019 г. - февраль 2020 г.),

IC200926B, IC200929A и IC201014A, когда было

cоответствующему 1495.19 дням эффективного на-

зарегистрировано по одному событию, n_90% =

бора данных одним кластером телескопа. Веро-

= 4.36. На рис. 9 представлена зависимость от

ятность принадлежности к фону трех зарегистри-

косинуса зенитного угла эффективных площадей

рованных событий для IC200926B, IC200929A и

регистрации изотропных потоков нейтрино трех

IC201014A составляет, соответственно, 0.32 (0.99

ароматов в окрестности Земли, усредненных по

σ), 0.29 (1.11 σ) и 0.36 (0.85 σ). Таким образом,

спектру E-2 в диапазоне энергий 1 ТэВ-10 ПэВ,

в данных Baikal-GVD не выявлено статистически

с учетом ослабления потоков нейтрино в Земле.

значимого превышения числа зарегистрированных

Методика вычисления эффективной площади теле-

каскадных событий, ассоциированных с алертами

скопа Baikal-GVD для ливневых событий от ней-

IC, над ожидаемым числом фоновых событий.

трино и функциональные зависимости от энергии

На рис. 6 в качестве иллюстрации представлено

нейтрино и направления его прихода на установку

распределение 113 выделенных ливневых событий

подробно описаны в работах (Аврорин и др., 2009;

во временном интервале ±12 ч около события

Шайбонов и др., 2017б; Дворницкий и др., 2019).

IC200929A. Распределение этих событий по уг-

Используя значения n_90% и эффективные площади

лу представлено на рис. 7. Для данного алерта

регистрации нейтрино, были получены ограничения

выделено одно ливневое событие со значением

на 90% доверительном уровне на зависящий от

ψ < 5^◦.Нарис.8приводятсятраекторияисточника

энергии поток нейтрино одного типа F (E) в

IC200929A в локальных координатах телескопа, и

единицах измерения [ТэВ-1 см-2] со спектром E-2

координаты зарегистрированных ливней в интер-

в предположении о равной доле типов нейтрино

вале ±12 ч.

в полном потоке. Все полученные ограничения

В отсутствие статистически значимого превы-

приведены в табл. 1 в направлении всех алертов.

шения числа зарегистрированных событий над

ожидаемым фоном, для каждого из IC алертов

В заключение отметим, что анализ данных те-

можно установить ограничение на число ожи-

лескопа Baikal-GVD впервые выполнен в режи-

даемых событий. Согласно (Фелдман, Кузинс,

ме онлайн слежения за нейтринными алертами.

1998), при нулевом числе измеренных событий в

Совпадений по направлению и времени регистра-

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

СЛЕЖЕНИЕ ЗА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ НЕЙТРИНО

123

130

120

110

100

Run_time, hour

Рис. 8. Траектория источника нейтрино для алерта IC200929A и координаты выделенных каскадов в интервале времени

±12 ч. Красный прямоугольник соответствует каскаду со значением угла ψ < 5^◦.

200

One GVD Cluster

N_hit > 7 OM

180

v_e

for E² spectrum

160

140

120

100

01.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

cos

Рис. 9. Эффективная площадь регистрации нейтрино, усредненная по спектру E-2, для трех ароматов нейтрино.

075-15-2020-778). Эта работа была поддержана

I.A. Belolaptikov, V.B. Brudanin, N.M. Budnev, et al.

облачной вычислительной инфраструктурой ОИ-

(Baikal-GVD Collab.)), Instr. Exper. Tech. 63, 551

ЯИ.

(2020б).

3. Аврорин и др. (A.D. Avrorin, A.V. Avrorin,

V.M. Aynutdinov, R. Bannash, I.A. Belolaptikov,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

V.B. Brudanin, N.M. Budnev, N.S. Gorshkov, et al.),

1. Аврорин А.В., Аврорин А.Д., Айнутдинов В.М.,

EPJ Web of Conf. 207 (2019б).

Баннаш Р., Бардачова З., Белолаптиков М.А., Бру-

данин В.Б., Буднев Н.М. и др., Ядерная физика 83,

4. Аврорин и др. (A.D. Avrorin, A.V. Avrorin,

511 (2020а).

V.M. Aynutdinov, R. Bannash, I.A. Belolaptikov,

2. Аврорин и др. (A.V. Avrorin, A.D. Avrorin,

D.Yu. Bogorodsky, V.B. Brudanin, N.M. Budnev, et

V.M. Ainutdinov, R. Bannasch, Z. Bardacova,

al.), PoS EPSHEP2015 418 (2015).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021

124

АВРОРИН и др.

Аврорин и др. (A. Avrorin, V. Aynutdinov,

17.

Голубков и др. (K. Golubkov, L. Fajt, A.D. Avrorin,

V. Balkanov, I. Belolaptikov, D. Bogorodsky,

A.V. Avrorin, V.M. Aynutdinov, R. Bannash,

N. Budnev, I. Danilchenko, G. Domogatsky, et al.),

I.A. Belolaptikov, V.B. Brudanin, et al.),

Astron. Lett. 35, 651 (2009).

PoS(ICRC2019) 877 (2019).

Алберт и др. (ANTARES Collab.: A. Albert,

18.

Дворницкий

др.

(R.

Dvornicky,

M. Andre, M. Anghinolfi, G. Anton, M. Ardid,

Z.A.M. Dzhilkibaev, A.D. Avrorin, A.V. Avrorin,

J.-J. Aubert, J. Aublin, B. Baret, et al., IceCube

V.M. Aynutdinov, R. Bannash, I.A. Belolaptikov,

Collab.: M.G. Aartsen, M. Ackermann, J. Adams,

V.B. Brudanin, et al. (Baikal-GVD Collab.)), PoS

J.A. Aguilar, M. Ahlers, M. Ahrens, C. Alispach,

ICRC2019 (2020)

873

(2019), arXiv:1908.05430

K. Andeen, et al.) Astrophys. J. 892, 92 (2020).

[astro-ph.HE], also in preparation to Astrophys. J.

Арстен и др. (M.G. Aarsten, R. Abbasi, Y. Abdou,

19.

Дорник и др. (D. Dornic, J. Brunner, S. Basa,

M. Ackermann, J. Adams, J.A. Aguilar, M. Ahlers,

I.A. Samarai, V. Bertin, M. Boer, J. Busto,

D. Altmann, et al., (IceCube Collab.)), Phys. Rev.

S. Escoffier,et al., (ANTARES and TAROT Collab.)),

Lett. 111, 021103 (2013a).

Nucl. Instrum. Meth. A S183, 626 (2011).

Арстен и др. (M.G. Aarsten, R. Abbasi, Y. Abdou,

20.

Заборов и др. (D. Zaborov, A.D. Avrorin,

M. Ackermann, J. Adams, J.A. Aguilar, M. Ahlers,

A.V. Avrorin, V.M. Aynutdinov, Z. Bardacova,

D. Altmann, et al. (IceCube Collab.)), Science 342,

R. Bannasch, I.A. Belolaptikov, V.B. Brudanin

1242856 (2013б).

et al. (Baikal-GVD Collab.)), Proc. of ICPPA2020,

Арстен и др. (M.G. Aarsten, M. Ackermann,

arXiv:2011.09209 [astro-ph.HE] (2020).

J. Adams, J.A. Aguilar, M. Ahlers, M. Ahrens,

21.

Плавин А.В. и др. (A.V. Plavin, Y.Y. Kovalev,

D. Altmann, K. Andeen, et al. (IceCube Collab.)),

Y.A. Kovalev, and S.V. Troitsky), Astrophys. J. 894,

Eur. Phys. J. C79, 234 (2019).

101 (2020а).

10.

Арстен и др. (M. Aartsen, M. Ackermann, J. Adams,

22.

Плавин А.В. и др. (A.V. Plavin, Y.Y. Kovalev,

J.A. Aguilar, M. Ahlers, M. Ahrens, I.A. Samarai,

Y.A. Kovalev, and S.V. Troitsky), submitted to

D. Altmann, et al. (IceCube Collab.)), Science 361,

Astrophys. J. 2020, arXiv:2009.08914 [astro-ph.HE]

147 (2018а).

(2020б).

11.

Арстен и др. (M. Aartsen, M. Ackermann, J. Adams,

23.

Сайт архива (GCN, Gamma-ray Coordination

J.A. Aguilar, M. Ahlers, M. Ahrens, I.A. Samarai,

Network),

D. Altmann, et al. (The IceCube, Fermi-LAT,

https://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3archive.html.

MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S,

INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool

24.

Сайт луиджи (https://luigi.readthedocs.io).

25.

Сафронов и др. (G. Safronov, A.D. Avrorin,

telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS,

A.V. Avrorin, V.M. Aynutdinov, Z. Bardacova,

VLA/17B-403 teams)), Science 361, iss. 6398, 1378

R. Bannasch, I.A. Belolaptikov, V.B. Brudanin et al.

(2018б).

(Baikal-GVD Collab.)), PoS(ICHEP2020)

606

12.

Балканов и др. (V. A. Balkanov, I. A. Belolaptikov,

(2020) and prepared to Astrophys. J. (2021).

L. B. Bezrukov, N. M.Budnev, etal.), Astropart. Phys.

12, 75 (1999).

26.

Смит и др. (M.W.E. Smith, D.B. Fox, D.F. Cowena,

13.

Белолаптиков и др. (I.A.

Belolaptikov,

P. Meszaros, G. Tesic, J. Fixelle, I. Bartos,

P. Sommers et al.), Astron. Part. Phys. 45,

L.B. Bezrukov, B.A. Borisovets, N.M. Budnev,

(2013).

E.V. Bugaev, A.G. Chensky, I.A. Danilchenko,

J.-A.M. Djilkibaev, et al.), Astropart. Phys. 7, 263

27.

Фелдмин, Кузинс (G. Feldman and R. Cousins),

(1997).

Phys. Rev. D 57, 3873 (1998).

14.

Блoуфас и др. (E. Blaufuss, Th. Kintscher, L. Lu,

28.

Шайбонов и др. (B. Shaybonov, A.D. Avrorin,

Ch.F. Tung for IceCube Collab.), PoS(ICRC2019)

A.V. Avrorin, V.M. Aynutdinov, R. Bannash,

1021 (2019).

I.A. Belolaptikov, V.B. Brudanin, N.M. Budnev,

15.

Брюн, Радемейкерс (R. Brun and F. Rademakers),

et al.), PoS(ICRC2017) 1046 (2017а).

Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A 389, 81 (1997).

29.

Шайбонов и др. (B. Shaybonov, A.D. Avrorin,

16.

Гaррэ и др. (S.A. Garre, F. Versari, A.D. Avrorin,

A.V. Avrovin, V. Aynutdinov, R. Bannash,

Zhan-Arys M. Dzhilkibaev, M.D. Shelepov, and

I. Belolaptikov, V. Brudanin, N.M. Budnev et al.

O.V. Suvorova), https://indico.fnal.gov/event/

(Baikal-GVD Collab.)), PoS (ICRC2017)

962

19348/contributions/186451/ (2020).

(2017б).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 47

№2

2021