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Theses Year : 2020

Development of multi-messenger real-time analyses for the KM3NeT neutrino telescope

Développement d’analyses multi-messager en temps réels pour le télescope à neutrino KM3NeT

Abstract

Since the discovery of the cosmic-ray radiation at the beginning of the 20th century, the hunt for their sources has been driving the research into the most energetic phenomena in the Universe. Astronomy has developed consequently, first with the exploration of the non-visible portion of the electromagnetic spectrum known as multi-wavelength astronomy. The perspective has been widened further by multi-messenger astronomy, with the notable discoveries of gravitational waves and of the astrophysical neutrino flux. Neutrinos in particular emerge as a formidable cosmic messenger. Being light, neutral and weakly-interacting particles, they can travel unperturbed over cosmic distances, overcoming the limits of electromagnetic radiation (absorption) and charged particles (deflection by magnetic fields). Their emission is also especially revealing of the astrophysical properties of the source. For cosmic-ray source candidates, high-energy neutrinos would be an unequivocal signature of occurring hadronic acceleration processes. Whereas IceCube and ANTARES have observed the astrophysical neutrino flux, its origin is not yet established. In the special case of core-collapse supernovae, low-energy neutrinos carry more than 99% of the star gravitational energy and are believed to drive the explosion mechanism. These are observable only for galactic or near-galactic events, and only one event, SN 1987A, has been recorded since the beginning of the neutrino era. This scenario calls for the design and construction of a new generation of neutrino telescopes. By instrumenting two deep-sea sites with digital optical modules, for a total of ~ 200 000 photomultiplier tubes, the KM3NeT ORCA and ARCA detectors will address the open questions on the neutrino mass ordering and the sources of astrophysical neutrinos, respectively. The analyses presented in this thesis exploit the KM3NeT design by analysing the coincidences detected by the 31 PMTs of each optical module. The first part of this work consists of a measurement of the atmospheric muon rate as a function of the sea depth in the depth range between 2200 and 3500 m, performed with the first three detection units across the two sites. The result is compatible with a state-of-the-art model of the underwater muon flux within the systematic uncertainties. The analysis has been instrumental to the validation of the detector time and efficiency calibration, and to the development of the simulation procedures. The main subject of this thesis is the determination of the KM3NeT capability of detecting a galactic core-collapse supernova event resulting in a neutrino burst on the 10 MeV energy scale. The development of the background filtering and event selection strategy is described in detail. The discovery sensitivity is evaluated by comparison with a simulation of the signal expected from the neutrino flux, as predicted by advanced three-dimensional models of a supernova explosion. The implementation of the analysis algorithm in an online trigger application is described, together with the first implementation of the real-time multi-messenger infrastructure for KM3NeT. The alert generation mechanism and its integration in the global SNEWS alert network are introduced. The first follow-up analyses of gravitational wave alerts are reported. The last part of this work addresses the absolute pointing of the detector, which accuracy is important to the full exploitation of the sub-tenth of degree resolution of KM3NeT at high-energy. With the ORCA detector as a test-bed, a procedure exploiting acoustic multilateration and beamforming techniques is proposed to determine the absolute position of the detection units on the seafloor and subsequently verify the pointing accuracy of the telescope.
Depuis la découverte des rayons cosmiques, la recherche de leurs sources a conduit à l'étude des phénomènes les plus énergétiques de l'Univers. L'astronomie multi-longueurs d'onde s'est développée en conséquence, avec l'exploration de la partie non visible du spectre électromagnétique. Cette perspective s’est élargie à l'astronomie multi-messager, avec les découvertes notables des ondes gravitationnelles et des neutrinos astrophysiques. Les neutrinos en particulier se révèlent être un formidable messager cosmique. Étant des particules légères, neutres et de faible interaction, ils peuvent voyager sans perturbation sur des distances cosmologiques, surpassant les limites du rayonnement électromagnétique et des particules chargées. Leur émission est aussi révélatrice des propriétés astrophysiques de la source. Alors qu'IceCube et ANTARES ont observé le flux de neutrinos astrophysiques, son origine n'est pas encore établie sans ambiguïté. Dans le cas des supernovae à effondrement de cœur, les neutrinos de faible énergie transportent plus de 99% de l'énergie gravitationnelle de l'étoile et sont censés être à l'origine du mécanisme d'explosion. Ils ne sont observables que pour les événements galactiques ou proche-galactiques, et un seul événement, SN 1987A, a été enregistré depuis le début de l'ère des neutrinos. Cett difficile détection appelle à la conception et à la construction d'une nouvelle génération de télescopes à neutrinos. En équipant deux sites en eaux profondes de modules optiques, contenant au total plus de 200 000 photomultiplicateurs, les détecteurs KM3NeT ORCA et ARCA répondront aux questions ouvertes sur la hiérarchie de masse des neutrinos et sur les sources de neutrinos astrophysiques, respectivement. Les analyses présentées dans cette thèse sont basées sur les études détaillés des taux de coïncidences détectées par les 31 PMTs de chaque module optique. La première partie de ce travail concerne la mesure du taux de muons atmosphériques en fonction de la profondeur de la mer entre 2200 et 3500 m, réalisée avec les données des trois premières lignes de détection sur les deux sites. Le résultat est compatible avec la prédiction des modèles de flux de muons sous-marin dans les limites des incertitudes systématiques. L'analyse a permis de valider la calibration en temps et de l'efficacité de détection des modules optiques des détecteurs, et de développer les procédures de simulation. Le sujet principal de cette thèse est la détermination de la capacité de KM3NeT à détecter la prochaine supernova galactique à effondrement du cœur. Ceci nécessite la détection d’une émission de neutrinos ayant une énergie d’environ 10-20 MeV. Le développement de la stratégie de filtrage du bruit de fond optique et de sélection des événements a été optimisé pour minimiser les contributions de ce bruit de fond et ainsi maximiser la sensibilité de détection. Cette sensibilité est déterminée en se basant sur les flux attendus de neutrinos du signal prédit par les modèles avancés d'une explosion de supernova. Cette recherche de supernova a été implémentée dans l’infrastructure d’analyse en temps réel des 2 détecteurs de KM3NeT. Cette analyse permet de trigger des alertes et de les envoyer au réseau mondial d'alerte SNEWS. Ceci a aussi permis de faire les premières analyses de recherche de supernovae autour des alertes d’ondes gravitationnelles. La dernière partie de ce travail porte sur l’étude du pointage absolu du détecteur, dont le contrôle au dixième de degré près est crucial pour la pleine exploitation des performances de reconstruction de KM3Net à haute énergie. Avec les premières lignes du détecteur ORCA comme banc d'essai, une procédure basée sur les techniques de multilatération acoustique et de beamforming a été proposée pour déterminer la position absolue des lignes sur le fond marin et ainsi vérifier ensuite le pointage du télescope.
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tel-03109402 , version 2 (04-03-2021)

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  • HAL Id : tel-03109402 , version 1

Cite

Massimiliano Lincetto. Development of multi-messenger real-time analyses for the KM3NeT neutrino telescope. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Aix-Marseille Université, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03109402v1⟩
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