Published May 1, 2021 | Version v1
Publication Open

The KM3NeT potential for the next core-collapse supernova observation with neutrinos

Creators

  • 1. INFN Sezione di Catania
  • 2. Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies
  • 3. Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien
  • 4. Instituto de Física Corpuscular
  • 5. Universitat de València
  • 6. Centre de Physique des Particules de Marseille
  • 7. INFN Sezione di Napoli
  • 8. INFN Sezione di Roma I
  • 9. Cidete (Spain)
  • 10. Universitat Politècnica de Catalunya
  • 11. Institute of Nuclear and Particle Physics
  • 12. National Centre of Scientific Research "Demokritos"
  • 13. INFN Sezione di Genova
  • 14. Universidad de Granada
  • 15. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
  • 16. Universitat Politècnica de València
  • 17. Université Paris Cité
  • 18. Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
  • 19. National Institute for Subatomic Physics
  • 20. Mohammed V University
  • 21. INFN Sezione di Bologna
  • 22. University of Groningen
  • 23. Laboratori Nazionali del Sud
  • 24. North-West University
  • 25. Instituto Español de Oceanografía
  • 26. Mohamed I University
  • 27. University of Salerno
  • 28. Institute of Space Science
  • 29. Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
  • 30. Cadi Ayyad University
  • 31. University of the Witwatersrand
  • 32. National Laboratory of Frascati
  • 33. Polytechnic University of Bari
  • 34. INFN Sezione di Bari
  • 35. Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées
  • 36. IMT Atlantique
  • 37. University of Würzburg
  • 38. Fischer (Germany)
  • 39. Western Sydney University
  • 40. Laboratoire Univers et Particules de Montpellier
  • 41. INFN Sezione di Pisa
  • 42. University of Münster

Description

Abstract The KM3NeT research infrastructure is under construction in the Mediterranean Sea. It consists of two water Cherenkov neutrino detectors, ARCA and ORCA, aimed at neutrino astrophysics and oscillation research, respectively. Instrumenting a large volume of sea water with $$\sim {6200}$$ ∼ 6200 optical modules comprising a total of $$\sim {200{,}000}$$ ∼ 200 , 000 photomultiplier tubes, KM3NeT will achieve sensitivity to $$\sim {10} \ \mathrm{MeV}$$ ∼ 10 MeV neutrinos from Galactic and near-Galactic core-collapse supernovae through the observation of coincident hits in photomultipliers above the background. In this paper, the sensitivity of KM3NeT to a supernova explosion is estimated from detailed analyses of background data from the first KM3NeT detection units and simulations of the neutrino signal. The KM3NeT observational horizon (for a $$5\,\sigma $$ 5 σ discovery) covers essentially the Milky-Way and for the most optimistic model, extends to the Small Magellanic Cloud ( $$\sim {60} \ \mathrm{kpc}$$ ∼ 60 kpc ). Detailed studies of the time profile of the neutrino signal allow assessment of the KM3NeT capability to determine the arrival time of the neutrino burst with a few milliseconds precision for sources up to 5–8 kpc away, and detecting the peculiar signature of the standing accretion shock instability if the core-collapse supernova explosion happens closer than 3–5 kpc, depending on the progenitor mass. KM3NeT's capability to measure the neutrino flux spectral parameters is also presented.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة البنية التحتية للبحوث KM3NeT قيد الإنشاء في البحر الأبيض المتوسط. وهو يتألف من اثنين من كاشفات النيوترينو المائية شيرينكوف، أركا و أركا، التي تهدف إلى الفيزياء الفلكية النيوترينو وأبحاث التذبذب، على التوالي. من خلال قياس كمية كبيرة من مياه البحر باستخدام $$\ sim {6200 }$$ 6200 وحدة بصرية تضم ما مجموعه $$\ sim {200{,}000 }$ 200 , 000 أنبوب مضاعف ضوئي، ستحقق KM3NeT حساسية إلى $$\ sim {10}\\ mathrm{MeV }$$ 10 MeV نيوترينو من المستعر الأعظم لانهيار قلب المجرة وشبه المجرة من خلال مراقبة الضربات المتزامنة في المضاعفات الضوئية فوق الخلفية. في هذه الورقة، يتم تقدير حساسية KM3NeT لانفجار المستعر الأعظم من التحليلات التفصيلية للبيانات الأساسية من وحدات الكشف KM3NeT الأولى ومحاكاة إشارة النيوترينو. يغطي أفق الرصد KM3NeT (لاكتشاف $ 5\،\sigma $ 5 σ ) بشكل أساسي درب التبانة وللنموذج الأكثر تفاؤلاً، يمتد إلى سحابة ماجلان الصغيرة ($\ sim {60}\\ mathrm{kpc}$ 60 kpc ). تسمح الدراسات التفصيلية للملف الزمني لإشارة النيوترينو بتقييم قدرة KM3NeT لتحديد وقت وصول انفجار النيوترينو بدقة بضعة ميلي ثانية للمصادر التي تصل إلى 5–8 kpc، واكتشاف التوقيع الغريب لعدم استقرار صدمة التراكم الدائمة إذا حدث انفجار المستعر الأعظم للانهيار الأساسي أقرب من 3–5 kpc، اعتمادًا على كتلة السلف. كما يتم تقديم قدرة KM3NeT على قياس المعلمات الطيفية لتدفق النيوترينو.

Translated Description (French)

Résumé L'infrastructure de recherche KM3NeT est en construction en Méditerranée. Il se compose de deux détecteurs de neutrinos Tcherenkov dans l'eau, ARCA et ORCA, destinés respectivement à l'astrophysique des neutrinos et à la recherche sur les oscillations. En instrumentant un grand volume d'eau de mer avec $$\sim {6200}$$ ∼ 6200 modules optiques comprenant un total de $$\sim {200{,}000}$$ ∼ 200 000 tubes photomultiplicateurs, KM3NeT atteindra la sensibilité aux $$\sim {10}\\mathrm{MeV}$$ ∼ 10 neutrinos MeV des supernovae galactiques et proches de l'effondrement du noyau galactique grâce à l'observation des impacts coïncidents dans les photomultiplicateurs au-dessus du fond. Dans cet article, la sensibilité de KM3NeT à une explosion de supernova est estimée à partir d'analyses détaillées des données de fond des premières unités de détection de KM3NeT et de simulations du signal de neutrino. L'horizon d'observation KM3NeT (pour une découverte $$ 5\,\sigma $$ 5 σ ) couvre essentiellement la Voie Lactée et pour le modèle le plus optimiste, s'étend au Petit Nuage de Magellan ( $$\sim {60} \ \mathrm{kpc}$$ ∼ 60 kpc ). Des études détaillées du profil temporel du signal neutrino permettent d'évaluer la capacité de KM3NeT à déterminer le temps d'arrivée du sursaut neutrino avec une précision de quelques millisecondes pour des sources jusqu'à 5–8 kpc, et de détecter la signature particulière de l'instabilité du choc d'accrétion debout si l'explosion de la supernova d'effondrement du noyau se produit à moins de 3–5 kpc, en fonction de la masse progénitrice. La capacité de KM3NeT à mesurer les paramètres spectraux du flux de neutrinos est également présentée.

Translated Description (Spanish)

Resumen La infraestructura de investigación KM3NeT está en construcción en el Mar Mediterráneo. Consta de dos detectores de neutrinos Cherenkov de agua, ARCA y ORCA, destinados a la astrofísica de neutrinos y la investigación de oscilaciones, respectivamente. Instrumentando un gran volumen de agua de mar con $$\sim {6200}$$ ~ 6200 módulos ópticos que comprenden un total de $$\sim {200{,}000}$$ ~ 200.000 tubos fotomultiplicadores, KM3NeT logrará sensibilidad a $$\sim {10}\\mathrm{MeV}$$ ~ 10 MeV neutrinos de supernovas galácticas y de colapso de núcleo casi galáctico a través de la observación de golpes coincidentes en fotomultiplicadores sobre el fondo. En este artículo, la sensibilidad de KM3NeT a una explosión de supernova se estima a partir de análisis detallados de datos de fondo de las primeras unidades de detección de KM3NeT y simulaciones de la señal de neutrinos. El horizonte observacional de KM3NeT (para un descubrimiento de $$ 5\,\sigma $$ 5 σ ) cubre esencialmente la Vía Láctea y para el modelo más optimista, se extiende a la Pequeña Nube de Magallanes ( $$\sim {60} \ \mathrm{kpc}$$ ∼ 60 kpc ). Los estudios detallados del perfil de tiempo de la señal de neutrinos permiten evaluar la capacidad de KM3NeT para determinar el tiempo de llegada de la ráfaga de neutrinos con una precisión de unos pocos milisegundos para fuentes de hasta 5–8 kpc de distancia, y detectar la firma peculiar de la inestabilidad del choque de acreción permanente si la explosión de supernova de colapso del núcleo ocurre a menos de 3–5 kpc, dependiendo de la masa del progenitor. También se presenta la capacidad de KM3NeT para medir los parámetros espectrales del flujo de neutrinos.

Files

s10052-021-09187-5.pdf.pdf

Files (1.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:0f16574be73654b1f7c4652abce72995
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
إمكانات KM3NeT لمراقبة المستعر الأعظم للانهيار اللبي التالي مع النيوترونات
Translated title (French)
Le potentiel de KM3NeT pour la prochaine observation de supernova avec des neutrinos
Translated title (Spanish)
El potencial de KM3NeT para la próxima supernova de colapso de núcleo observada con neutrinos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3128551553
DOI
10.1140/epjc/s10052-021-09187-5

Is supplement to
https://openalex.org/W54078636 (Other)
https://openalex.org/W4391375266 (Other)
https://openalex.org/W3148032049 (Other)
https://openalex.org/W3105167352 (Other)
https://openalex.org/W3084825885 (Other)
https://openalex.org/W2954470139 (Other)
https://openalex.org/W2935759653 (Other)
https://openalex.org/W2902782467 (Other)
https://openalex.org/W2298861036 (Other)
https://openalex.org/W1501425562 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Morocco

References

  • https://openalex.org/W1662891299
  • https://openalex.org/W1984016689
  • https://openalex.org/W2006202165
  • https://openalex.org/W2031229890
  • https://openalex.org/W2033617738
  • https://openalex.org/W2056067301
  • https://openalex.org/W2058060865
  • https://openalex.org/W2063665659
  • https://openalex.org/W2079103297
  • https://openalex.org/W2092842831
  • https://openalex.org/W2096932517
  • https://openalex.org/W2104781683
  • https://openalex.org/W2109144510
  • https://openalex.org/W2112685448
  • https://openalex.org/W2117105750
  • https://openalex.org/W2117566351
  • https://openalex.org/W2118275409
  • https://openalex.org/W2128158076
  • https://openalex.org/W2160501858
  • https://openalex.org/W2164381458
  • https://openalex.org/W2166044928
  • https://openalex.org/W2171712170
  • https://openalex.org/W2260485220
  • https://openalex.org/W2265908594
  • https://openalex.org/W2529406953
  • https://openalex.org/W2596958243
  • https://openalex.org/W2607864102
  • https://openalex.org/W2775162970
  • https://openalex.org/W2911672284
  • https://openalex.org/W2942495871
  • https://openalex.org/W2964117580
  • https://openalex.org/W2982610777
  • https://openalex.org/W2998083304
  • https://openalex.org/W3008135094
  • https://openalex.org/W3099496514
  • https://openalex.org/W3100337859
  • https://openalex.org/W3101538690
  • https://openalex.org/W3105208223
  • https://openalex.org/W3105618105
  • https://openalex.org/W3121642222
  • https://openalex.org/W85293589