Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 583-587

Поиск мюонных нейтрино от областей локализации гравитационно-волновых событий

В. Б. Петков 12*, И. М. Дзапарова 123, М. М. Кочкаров 1, М. Г. Костюк 1, А. Н. Куреня 1, Ю. Ф. Новосельцев 1, Р. В. Новосельцева 1, П. С. Стриганов 13, И. Б. Унатлоков 1, А. Ф. Янин 13

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение наук Институт астрономии Российской академии наук
Москва, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, Государственный Астрономический институт имени П.К. Штернберга
Москва, Россия

* E-mail: vpetkov@inr.ru

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

По данным Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа проведен поиск мюонных нейтрино и антинейтрино с энергией выше 1 ГэВ в совпадении с гравитационно-волновыми событиями, зарегистрированными обсерваториями Advanced LIGO и Advanced Virgo в трех наблюдательных периодах. Получены ограничения на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино от источников гравитационных волн. Представлен метод поиска нейтринных событий по алертам от LIGO/Virgo, приведено описание алгоритма обработки информации и поиска совпадений нейтринных и гравитационно-волновых событий в режиме реального времени.

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к поиску нейтрино высоких энергий (ГэВ и выше) вызван тем, что поток таких нейтрино ожидается от любого слияния компактного объекта с остатком нейтронной звезды или слияния, которое происходит в значительной концентрации газа [1]. Обнаружение гравитационных волн и нейтрино высоких энергий из общих источников позволит установить связь между динамикой гравитирующих объектов и свойствами релятивистских потоков.

В данной работе представлены результаты поиска на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе (БПСТ) мюонных нейтрино и антинейтрино с энергией выше 1 ГэВ от областей локализации всех подтвержденных к настоящему моменту гравитационно-волновых (GW) событий, зарегистрированных обсерваториями Advanced LIGO и Advanced Virgo во всех трех наблюдательных периодах. Получены ограничения на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино от источников гравитационных волн. Разработан метод поиска нейтринных событий на БПСТ по алертам от LIGO/Virgo в режиме реального времени.

Следует заметить, что к настоящему времени поиск нейтринных сигналов был проведен для нескольких GW событий, зарегистрированных в первых двух наблюдательных периодах [27]. В этих экспериментах поиск проводился для различных типов нейтрино в широком диапазоне энергий (от 0.5 МэВ до ~2.5 ⋅ 1010 ГэВ), нейтринных событий от источников гравитационных волн обнаружено не было.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп расположен на Северном Кавказе (Россия) в подземной лаборатории на эффективной глубине 8.5 ⋅ 104 г/см2 (850 м. в. э.). БПСТ является многоцелевым детектором, предназначенным для широкого диапазона исследований в области физики космических лучей, элементарных частиц и нейтринной астрофизики [8]. Установка имеет размеры 17 × 17 × 11 м3 и состоит из 4 горизонтальных и 4 вертикальных сцинтилляционных плоскостей. Плоскости покрыты стандартными сцинтилляционными счетчиками, полное число счетчиков в БПСТ 3184. Стандартный сцинтилляционный счетчик представляет собой алюминиевый контейнер размером 0.7 × 0.7 × 0.3 м3, заполненный жидким органическим сцинтиллятором на основе уайт-спирита. Объем сцинтиллятора просматривается одним фотоумножителем ФЭУ-49 с диаметром фотокатода 15 см. Конструкция БПСТ позволяет идентифицировать траектории мюонов, пересекающих телескоп, и определять направление прихода мюона. Угловое разрешение установки составляет ≈1.6°. Следует заметить, что направление прихода мюона, рожденного в реакции взаимодействия нейтрино с веществом, сильно коррелирует с направлением прихода нейтрино. Суммарная неопределенность в определении направления нейтрино обусловлена самой природой сигнала (угол рождения мюона относительно направления нейтрино и многократное рассеяние мюона при его прохождении от точки рождения до установки) и для регистрируемых БПСТ нейтрино составляет ~5°.

При регистрации мюонов из нижней полусферы (θ > 90°) можно исключить фон от проникающих под землю мюонов, если на глубине расположения установки фон от рассеяния назад мюонов, пришедших сверху, меньше эффекта от нейтрино. На глубине расположения БПСТ фон мюонов полностью исключается для зенитных углов θ > 100° [9]. Разделение направлений прихода мюонов между верхней и нижней полусферой проводится с помощью времяпролетной методики. Пороговая энергия регистрируемых БПСТ мюонных нейтрино определяется энергетическими потерями пересекающих телескоп мюонов и составляет 1 ГэВ для используемых условий отбора. В настоящее время регистрация мюонных нейтрино из нижней полусферы проводится в режиме реального времени.

ПОИСК МЮОННЫХ НЕЙТРИНО ОТ GW СОБЫТИЙ

На данный момент, в течение трех наблюдательных периодов, гравитационно-волновыми детекторами LIGO и Virgo достоверно зарегистрированы пятнадцать GW событий [1014]. Для трех из них (GW170817, GW170818, GW190814) области локализации полностью находятся вне поля зрения БПСТ. Области локализации источника гравитационных волн по данным LIGO/Virgo достаточно велики, и могут достигать ~ полутора тысяч квадратных градусов. Данные с локализацией содержат вероятность расположения источника в каждом сегменте небесной сферы.

Поиск нейтрино от GW событий был проведен во временном интервале ±500 с, который является максимальным интервалом между гравитационной волной и нейтрино от космических гамма-всплесков [15]. В интервале ±500 с от гравитационно-волновых событий мюонные нейтрино/антинейтрино из нижней полусферы на БПСТ зарегистрированы не были. Из факта отсутствия нейтринных сигналов от источника, были поставлены верхние пределы (на 90% доверительном уровне) на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино в зависимости от их энергии для моноэнергетического спектра:

(1)
$I({{E}_{{{\nu }}}},\theta ,\varphi ) = \frac{{{{n}_{{90}}}}}{{{{S}_{{eff}}}({{E}_{{{\nu }}}},\theta ,\varphi )}},$
где S(Eν, θ, φ) – эффективная площадь регистрации мюонного нейтрино/антинейтрино с энергией Eν и направлением прихода (θ, φ), n90 = 2.3 – ограничение на 90% доверительном уровне на число событий для распределения Пуассона. Эффективную площадь регистрации нейтрино можно представить в виде:
(2)
${{S}_{{eff}}}({{E}_{{{\nu }}}},\theta ,\varphi ) = {{\sigma }_{{{{\nu }}N}}}(E{}_{{{\nu }}}){{S}_{T}}(\theta ,\varphi ){{L}_{{eff}}}({{E}_{{{\nu }}}})\rho {{N}_{A}},$
где σνN – сечение взаимодействия мюонного нейтрино/антинейтрино с нуклоном [16], ST(θ, φ) – площадь телескопа под данным направлением, Leff(Eν) – эффективный пробег мюона, рожденного нейтрино с энергией Eν, ρ – плотность грунта в окрестности телескопа, NA – число Авогадро. Площадь БПСТ для регистрации мюонов от нейтрино из нижней полусферы (т.е., при θ > 100°) изменяется, в зависимости от направления, в три раза (от 72 до 217 м2). Соответственно, как это видно из формул (1) и (2), и все полученные ограничения будут различаться не более чем в три раза.

В качестве примера на рис. 1 показана область локализации гравитационно-волнового события GW150914, которая полностью находится в поле зрения БПСТ (поле зрения БПСТ выделено светлым). Верхние пределы на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино от точки наиболее вероятного расположения источника гравитационных волн для события GW150914 (ST = 174 м2) приведены на рис. 2. Пределы получены отдельно для мюонных нейтрино и антинейтрино вследствие различия в сечениях взаимодействия мюонных нейтрино и антинейтрино [16], и, следовательно, в различных эффективных площадях регистрации.

Рис. 1.

Область локализации гравитационно-волнового события GW150914 и поле зрения БПСТ (выделено светлым).

Рис. 2.

Верхние пределы на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино от точки наиболее вероятного расположения источника гравитационных волн для события GW150914 (для моноэнергетического спектра).

В предположении степенного спектра с показателем –2 получены верхние пределы на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино для диапазона энергий 1–105 ГэВ:

(3)
$F = \frac{{{{n}_{{90}}}}}{{\int\limits_{{{E}_{{min}}}}^{{{E}_{{max}}}} {d{{E}_{{{\nu }}}}S({{E}_{{{\nu }}}})I({{E}_{{{\nu }}}})} }},$
где Emin = 1 ГэВ, Emax = 105 ГэВ, I(Eν) = $E_{{{\nu }}}^{{ - {\text{2}}}}.$

В табл. 1 приведены диапазоны верхних пределов на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино для двенадцати подтвержденных GW событий, области локализации которых попадают в поле зрения БПСТ. Диапазон ограничений определяется диапазоном величин площади БПСТ для регистрации мюонов от нейтрино от области локализации каждого GW события, находящейся в поле зрения телескопа.

Таблица 1.  

Верхние пределы на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино от гравитационно-волновых событий

GW событие Мюонные нейтрино Мюонные антинейтрино
Fmin, см–2 Fmax, см–2 Fmin, см–2 Fmax, см–2
GW150914 109.3 52.9 215.1 104.2
GW151012 146.9 50.8 289.5 100.0
GW151226 148.1 51.8 291.6 101.9
GW170104 144.0 51.6 283.6 101.6
GW170608 138.3 70.6 272.4 139.1
GW170729 146.5 56.0 288.5 110.3
GW170809 103.2 58.3 203.2 114.8
GW170814 64.5 54.9 126.9 108.1
GW170823 146.5 52.9 288.5 104.2
GW190425 148.1 51.9 291.6 102.2
GW190412 136.3 63.9 268.3 125.7
GW190521 146.5 73.6 288.5 144.8

ПОИСК МЮОННЫХ НЕЙТРИНО ПО АЛЕРТАМ ОТ LIGO/VIRGO

С начала третьего наблюдательного периода (19 апреля 2019 г.–27 марта 2020 г.) обсерватории LIGO/Virgo предоставляли данные о предполагаемых гравитационно-волновых событиях в режиме реального времени, в течение этого наблюдательного периода была разослана информация о 56 кандидатах в GW события [17].

Алерты, распространяемые в виде машиночитаемых пакетов, принимаются и обрабатывается в режиме реального времени на сервере Баксанской Нейтринной Обсерватории. В момент появления алерта запускается онлайн-программа анализа его содержимого. Онлайн-программа сверяет данные по мюонным нейтрино из нижней полусферы, которые регистрируются БПСТ в режиме реального времени, с данными гравитационно-волновых детекторов. Главной задачей работы с алертами является поиск нейтринного события в области локализации гравитационно-волнового события. Поскольку направления на источник гравитационных волн могут быть восстановлены с точностью до десятков-сотен квадратных градусов, а точность восстановления направления прихода мюонного нейтрино/антинейтрино на БПСТ составляет ~5°, то совместное наблюдение гравитационных волн и нейтрино может значительно улучшить локализацию источника, тем самым сделав более осуществимыми последующие электромагнитные наблюдения. В случае наличия нейтринного события внутри области локализации гравитационно-волнового события рассылается оповещение с координатами прихода нейтрино, для обзора области локализации нейтринного события оптическими телескопами.

Схема алгоритма анализа алерта представлена на рис. 3. Онлайн-программа после получения алерта извлекает информацию о дате, времени события, названии события и ссылку на файл с данными об области локализации. Файлы хранятся в базе данных кандидатов на гравитационно-волновые события. Данные с локализацией содержат вероятность расположения источника в каждом сегменте небесной сферы, разбитой на ячейки. Затем осуществляется поиск нейтринных событий на БПСТ в интервале ±500 с относительно времени регистрации кандидата в гравитационно-волновые события. После этого программа загружает файл с локализацией гравитационно-волнового события и сверяет поле зрения БПСТ в момент события с областью, в которой с 90% вероятностью расположен предполагаемый источник. Если не было совпадения этих областей, то, за неимением смысла, обработка данных завершается. В случае, если поле зрения БПСТ полностью или частично перекрывает локализацию гравитационно-волнового события и при этом нейтринных событий на БПСТ обнаружено не было, производится расчет ограничений на потоки мюонных нейтрино и антинейтрино в двух точках небесной сферы – максимума и минимума площадей БПСТ. Если при совпадении областей поля зрения БПСТ и локализации гравитационно-волнового события обнаружено нейтринное событие, производится сверка направления прихода нейтрино с областью локализации события. При отсутствии совпадения направления прихода нейтрино с областью локализации гравитационно-волнового события, производится расчет ограничений на потоки мюонных нейтрино/антинейтрино в точках максимума и минимума площади БПСТ. Если совпадение есть, производится рассылка оповещения с координатами прихода нейтрино для просмотра данного участка небесной сферы оптическими телескопами.

Рис. 3.

Блок-схема анализа алерта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В эксперименте на БПСТ проведен поиск мюонных нейтрино и антинейтрино с энергией выше 1 ГэВ в совпадении с двенадцатью подтвержденными GW событиями, области локализации которых попадают в поле зрения телескопа. В интервале ±500 с от гравитационно-волновых событий мюонные нейтрино/антинейтрино из нижней полусферы на БПСТ зарегистрированы не были. Получены верхние пределы на интегральные потоки мюонных нейтрино и антинейтрино. Разработан метод поиска на БПСТ нейтринных событий по алертам от LIGO/Virgo в режиме реального времени.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-29-11027). Работа выполнена на УНУ Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп, ЦКП Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН.

Список литературы

  1. Fraija N. // J. High Energy Astrophys. 2016. V. 11–12. P. 29.

  2. Adrian-Martinez S., Albert A., Andre M. et al. // Phys. Rev. D. 2016. V. 93. Art. No. 122010.

  3. Aab A., Abreu P., Aglietta M. et al. // Phys. Rev. D. 2016. V. 94. Art. No. 122007.

  4. Albert A., Andre M., Anghinolfi M. et al. // Astrophys. J. Lett. 2017. V. 850. Art. No. L35.

  5. Abe K., Haga K., Hayato Y. et al. // Astrophys. J. Lett. 2016. V. 830. Art. No. L1.

  6. Agostini M., Altenmuller K., Appel S. et al. // Astrophys. J. 2017. V. 850. P. 21.

  7. Петков В.Б., Новосельцева Р.В., Болиев М.М. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2018. Т. 107. С. 418.

  8. Alekseev E.N., Alexeyenko V.V., Andreyev Yu.M. et al. // Proc. 16th ICRC (Kyoto, 1979). V. 10. P. 276.

  9. Boliev M.M., Butkevich A.V., Dzaparova I.M. et al. // Phys. Part. Nucl. 2018. V. 49. P. 585.

  10. Abbott B.P., Abbott R., Abbott T.D. et al. // Phys. Rev. X. 2019. V. 9. Art. No. 031040.

  11. Abbott R., Abbott T.D., Abraham S. et al. // arXiv: 2004.08342. 2020.

  12. Abbott B.P., Abbott R., Abbott T.D. et al. // Astrophys. J. Lett. 2020. V. 892. Art. No. L3.

  13. Abbott R., Abbott T.D., Abraham S. et al. // Astrophys. J. Lett. 2020. V. 896. Art. No. L44.

  14. Abbott R., Abbott T.D., Abraham S. et al. // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 125. Art. No. 101102.

  15. Baret B., Bartos I., Bouhou B. et al. // Astropart. Phys. 2011. V. 35. P. 1.

  16. Hayato Y. // Acta Phys. Polon. B. 2009. V. 40. P. 2477.

  17. https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3.

Дополнительные материалы отсутствуют.