УДК 520.3;539.1
ПОИСК НЕЙТРИНО ОТ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ НА БАЙКАЛЬСКОМ
НЕЙТРИННОМ ТЕЛЕСКОПЕ НТ200
(©2011г. А. В. Аврорин1, В. М. Айнутдинов1*, И. A. Белолаптиков2, Д. Ю. Богородский3, Н. M. Буднев3, Р. Вишневски4, O. Н. Гапоненко1, К. В. Голубков2, O. A. Гресс3, Т. И. Гресс3, О. Г. Гришин3, И. A. Данильченко1, Ж. -А. М. Джилкибаев1, Г.В.Домогацкий1, А.А.Дорошенко1, А. Н. Дьячок3, В.А.Жуков1, А. В. Загородников3, A. M. Kлабуков1, A. И. ^имов5, К. В. Конищев2, А. В. Коробченко3, A. П. ^шечкин1, Л. А. Кузьмичев6, В. Ф. Кулепов7, Д. А. Кулешов1, В. И. Ляшук1, А. Мидделл4, М. Б. Миленин7, Р. Р. Миргазов1, С. П. Михеев Е. А. Осипова6, А. И. Панфилов1,
Л. В. Паньков3, Г. Л. Паньков3, А. А. Перевалов3, Д. А. Петухов1, E. Н. Плисковский2, В. А. Полещук1, E. Г. Попова6, В. В. Просин6, M. И. Розанов8, В. Ю. Рубцов3, Е.В.Рябов3, О.В.Суворова1, Б. A. Taращанский3, С. В. Фиалковский7, Б. А. Шайбонов2, А. А. Шейфлер2, А. В. Широков6, К. Шпиринг4, А. С. Ягунов3
1 Институт ядерных исследований РАН, Москва 2 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна 3Иркутский государственный университет 4Научно-исследовательский центр "Германский электронный синхротрон" 5РНЦРФ "Курчатовский институт", Москва 6Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Москва 7Нижегородский государственный технический университет 8Государственный морской технический университет, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 24.02.2011 г.
Представлены результаты поиска нейтринных событий, совпадающих по времени и направлению с гамма-всплесками на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ200. События, подтверждающие наличие нейтринного сопровождения гамма-всплесков, не были обнаружены. Получены модельно-независимые пределы на поток нейтрино от гамма-всплесков (функции Грина). Для нейтринного спектра вида Ваксмана и Бакала получен предел на поток нейтрино от гамма-всплеска: Е2<Фи < 1.1 х 10-6 ГэВ см-2 с^1 ср-1.
Ключевые слова: нейтринная астрофизика, нейтринные телескопы, гамма-всплески, Байкал.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из приоритетных направлений исследований на глубоководных нейтринных телескопах, связанных с обнаружением нейтрино внеземного происхождения, является поиск нейтринных событий от гамма-всплесков (GRB). В данной работе представлены результаты такого поиска на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ200. НТ200 функционирует на озере Байкал с апреля 1998 г. Детектор расположен на глубине 1100 м. Он состоит из 192 оптических модулей
Электронный адрес: aynutdin@yandex.ru
(ОМ), расположенных на семи периферийных и одной центральной гирлянде. Длина каждой гирлянды составляет 68 м, расстояние между центральной и периферийными гирляндами 21.5 м. С целью подавления фоновых срабатываний установки, обусловленных темновым током фотоприемников и свечением воды, оптические модули телескопа сгруппированы в пары и включены на совпадение. Каждая такая пара модулей образует измерительный канал. В качестве временной отметки сигнала выбирается время первого сработавшего ОМ канала. Подробное описание конструкции и основных функциональных систем нейтринного
телескопа НТ200 приводится в ряде публикаций коллаборации "Байкал" (Белолаптиков и др., 1997; Айнутдинов и др., 2008а, б).
Для поиска нейтринных событий использовалась информация о 303 гамма-всплесках, зарегистрированных в период с 1998 г. по 2000 г. в эксперименте BATSE (Пачейсес и др., 1999). Методика выделения нейтрино из фона атмосферных мюонов в детекторе НТ200 основывалась на регистрации мюонов из нижней полусферы Земли, направление движения и время регистрации которых коррелируют с гамма-всплесками.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Информация эксперимента BATSE о времени регистрации гамма-всплеска и его локализации в пространстве позволяет значительно снизить уровень фона атмосферных мюонов в нейтринном телескопе и существенно увеличить эффективный объем установки для поиска нейтринных событий. Однако использование данных BATSE затруднено тем, что информация о расстоянии до источника гамма-всплеска доступна только для незначительной доли событий. Проблема заключается в том, что для источников гамма-всплесков с величиной красного смещения г ~ 2 (среднее значение, которое в рамках современных представлений ожидается для событий BATSE) зарегистрировать нейтринный сигнал установкой масштаба НТ200 представляется маловероятным, т.е. источником нейтринного сигнала может являться только относительно малая часть событий из данных эксперимента BATSE c г, существенно меньшим единицы. Не приводит к качественному улучшению ситуации и дополнительный отбор по длительности гамма-всплесков (например, выбор событий продолжительностью меньшей 2 с, для которых ожидаемое среднее значение г может быть несколько меньше, чем для полного набора данных BATSE). Кроме того, недостатком такого отбора является возможность потери событий со значимой величиной сигнала.
Для того чтобы предотвратить потерю полезных событий, в данной работе использовался полный набор данных эксперимента BATSE из каталога триггерных GRB (Пачейсес и др., 1999) без отбора событий по параметрам GRB. К этим событиям были добавлены нетриггерные гамма-всплески, выделенные в результате off-line анализа данных BATSE (Штерн, Тихомирова, 2002). Отсутствие триггера было связано либо с мертвым временем регистрирующей аппаратуры детектора, либо с недостаточной для регистрации интенсивностью излучения.
Таблица 1. Результаты отбора гамма-всплесков
Параметр Триггерные ОИВ Нетриггерные GRB
1998 1999 2000 1998 1999 2000
А^ 148 213 29 152 170 24
N100 60 84 11 60 78 10
/?5 0.79 0.74 0.88 0.49 0.54 0.78
/Зю 0.94 0.92 0.98 0.77 0.80 0.95
Для анализа отбирались гамма-всплески, совпадающие по времени с периодом стабильной работы детектора НТ200 и находящиеся под зенитными углами, большими 100°. Результаты отбора GRB показаны в табл. 1. Для каждого года экспозиции представлено полное количество гамма-всплесков (^о0, зарегистрированных в периоды стабильной работы установки, и количество GRB под зенитными углами, большими 100° (N100). Существенным для дальнейшего анализа параметром событий является ошибка определения направления на GRB, представленная в данных BATSE. Данные об ошибке позволяют определить вероятность в того, что истинное направление на гамма-всплеск лежит в пределах телесного угла, выбранного для поиска нейтринных событий. В табл. 1 для отобранных GRB представлены средние значения вероятностей в, вычисленные для конусов с полурастворами 5° (в5) и 10° (вю). Для вычисления этих вероятностей использовалось аналитическое представление функции распределения ошибок локализации гамма-всплесков из работы Бриггса и др. (1999), параметрами которого являются ошибка определения направления из каталога BATSE и величина систематической ошибки, принятой равной 1.6°.
Для поиска корреляций между гамма-всплесками и событиями НТ200 были использованы данные, полученные на Байкальском нейтринном телескопе в период с 1998 г. (ввод в эксплуатацию НТ200) по 2000 г. (завершение эксперимента BATSE). В результате первичного анализа экспериментальной информации НТ200 были исключены периоды нестабильной работы установки и выделен банк событий, удовлетворяющих триггерному условию 3/6 (не менее шести сработавших каналов на трех и более гирляндах НТ200). Из сформированного банка данных для последующего анализа были выбраны события, реконструированные как мюоны, пришедшие из-под горизонта под зенитными углами, большими 100° (~2.5 х 106 событий за 6.8 х 107 с чистого времени экспозиции). Полученный набор данных
Таблица 2. Доля событий удовлетворяющих критерию Р^^ х Рпоыь для мюонов от нейтрино и фоновых атмосферных мюонов
Критерий рт х раоы1 >0.1 рш X рпош > 0.2 рш. X Рпоьи > 0.3
Атмосферные ¡л 0.067 0.015 0.0043
Атмосферные v 0.80 0.69 0.52
v. 102 <еу< 103 ГэВ 0.69 0.55 0.38
у. 103 <еу< 104 ГэВ 0.66 0.51 0.33
у. 104 <еу< 105 ГэВ 0.48 0.29 0.16
у. 105 <еу< 106 ГэВ 0.23 0.12 0.062
у. 106 <еу< 107 ГэВ 0.11 0.054 0.026
включает главным образом фон от групп и ошибочно реконструированных окологоризонтальных мюонов. Для подавления фона были разработаны дополнительные критерии отбора событий.
КРИТЕРИИ ОТБОРА СОБЫТИЙ НТ200
Оптимизация критериев отбора событий НТ200 для поиска корреляций с GRB предполагала достижение максимального значения эффективной площади регистрации нейтрино при сохранении достаточно низкого уровня фона от атмосферных мюонов. Процедура оптимизации была основана на результатах моделирования регистрации нейтринных событий и фона от атмосферных мюонов установкой НТ200 (Белолаптиков, 2007; Бугаев и др., 2001). Для того чтобы учесть изменение характеристик НТ200 за анализируемый период экспозиции, моделирование было выполнено для девяти базовых конфигураций установки, наиболее близко соответствующих реальному состоянию регистрирующей системы детектора. В результате моделирования были созданы банки данных нейтринных и фоновых событий для детектора НТ200, удовлетворяющих триггерному условию 3/6.
Результаты реконструкции моделированных событий были использованы для определения эффективности восстановления параметров траекторий мюонов от нейтрино и расчета уровня фона. Методы реконструкции событий и подавления фона в НТ200 подробно описаны в работе Белолап-тикова (2007). Используемые в этой работе критерии подавления фона от атмосферных мюонов были разработаны и оптимизированы для задачи выделения атмосферных нейтрино и обеспечивают фактор подавления фона ~10_7. Для задачи поиска корреляций с гамма-всплесками такой уровень режекции является избыточным, поскольку имеется априорная информация о времени регистрации и направлении на GRB. Снижение уровня
требований на подавления фона позволяет увеличить вероятность регистрации нейтринных событий и существенно увеличить эффективную площадь установки. Следуя подходам работы Белолапти-кова (2007), в качестве основных параметров для отбора событий были выбраны Р^^ х Р^й и ^¡^ вычисляется как расстояние между наиболее удаленными проекциями координат сработавших каналов установки на траекторию мюона.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.