Study of the KM3NeT/ARCA Neutrino Telescope first data and study of the diffuse astrophysical neutrino flux
Authors: Σινοπούλου Άννα 
Published: March 2023

Το Σύμπαν και τα μυστήρια που το διέπουν συναρπάζουν τον άνθρωπο ασταμάτητα στο πέραςτων χρόνων. Αρκετοί μηχανισμοί του Σύμπαντος δεν έχουν γίνει ακόμα κατανοητοί όπως παραδείγματος χάριν, η επιτάχυνση των υψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων που ανήκει στα θεμελιώδη ανοιχτά ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής. Για να διερευνήσουμε το Σύμπαν και να κατανοήσουμε τους κοσμικούς μηχανισμούς, χρειάζεται να χρησιμοποιήσουμε διαφορετικούς κοσμικούς αγγελιοφόρους. Τα φωτόνια (που χρησιμοποιούνται για την μελέτη του Σύμπαντος χιλιάδες χρόνια) μπορεί να απορροφηθούν από το διαστρικό μέσο ενώ τα κοσμικά μαγνητικά πεδία παραμορφώνουν την τροχιά των φορτισμένων σωματιδίων, περιορίζοντας τη πληροφορία που έχουμε από τους κοσμικούς μηχανισμούς. Μια νέα εποχή έχει ξεκινήσει τα τελευταία χρόνια με την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων και την αστρονομία των νετρίνων. Τα βαρυτικά κύματα έχουν ήδη καταδείξει υψηλής ενέργειας γεγονότα του Σύμπαντος, όπως η συγχώνευση αστέρων νετρονίων αλλά δεν μπορούν να προσφέρουν πληροφορία για τους μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα στους κοσμικούς επιταχυντές. Τα νετρίνα έχουν ήδη παρατηρηθεί ως προϊόντα κοσμικών μηχανισμών, ενδεικτικά με την ανακάλυψη νετρίνων από την κατεύθυνση του blazar TXS-0506+056 με το τηλεσκόπιο νετρίνων IceCube. Τα νετρίνα είναι ουδέτερα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη και για αυτό θεωρούνται ιδανικοί κοσμικοί αγγελιοφόροι, που μπορούν να “δείχνουν” πηγές κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας και να αποκαλύπτουν αρκετά από τα μυστήρια του Σύμπαντος, μεταφέροντας “ατόφια” την πληροφορία από το σημείο παραγωγής τους. Η κοινοπραξία KM3NeT έχει δημιουργηθεί με σκοπό την κατασκευή και τη λειτουργία των μελλοντικών ανιχνευτών νετρίνων στη Μεσόγειο Θάλασσα: του ανιχνευτή ORCA και ARCA. Ο ανιχνευτής ORCA θα χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση των ιδιοτήτων των νετρίνων ενώ, ο ανιχνευτής ARCA, θα χρησιμοποιηθεί για την ανακάλυψη αστροφυσικών νετρίνων για τη παρατήρηση φαινομένων υψηλής ενέργειας. Τη στιγμή που γράφεται η διατριβή, ο ARCA κατασκευάζεται και συλλέγονται δεδομένα με τις ποντισμένες μονάδες ανίχνευσης. Η διατριβή θα επικεντρωθεί στην ανάλυση των δεδομένων που συλλέχθηκαν με στόχο να αναδείξει τη δυνατότητα του ανιχνευτή ARCA, ακόμα και με το ∼ 1 − 5% του πλήρους ανχινευτικού όγκου του, να απορρίψει επιτυχώς το υπόβαθρο ατμοσφαιρικών μιονίων, να ανιχνεύσει υποψήφια γεγονότα νετρίνων και να επιτρέψει την ανάλυση για τη διάχυτη αστροφυσική ροή νετρίνων. Το πρώτο κεφάλαιο της διατριβής κάνει μια λεπτομερή περιγραφή των κοσμικών αγγελιαφόρων, εισάγει την αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων και παρουσιάζει τις πιθανές πηγές κοσμικών ακτίνων και νετρίνων. Στο κεφάλαιο 2, η αστρονομία των νετρίνων περιγράφεται, εστιάζοντας στα διαφορετικά είδη νετρίνων υψηλής ενέργειας: ατμοσφαιρικά, κοσμογονικά κ.λπ. και ακολουθεί το κεφάλαιο 3 με την περιγραφή της αρχής ανίχνευσης νετρίνων. Το πείραμα ΚM3NeT περιγράφεται λεπτομερώς. Εισάγεται η γεωμετρία και διαμόρφωση του ανιχνευτή ARCA και περιγράφεται το υπόβαθρο για τα τηλεσκόπια νετρίνων. Στο επόμενο κεφάλαιο, περιγράφεται η αλυσίδα προσομοίωσης γεγονότων, το λογισμικό και η διαδικασία επεξεργασίας δεδομένων. Οι αναλύσεις της παρούσας διατριβής ξεκινούν με τις μελέτες ποιότητας δεδομένων στο κεφάλαιο 6. Παρουσιάζεται η ανάπτυξη λογισμικού και ο έλεγχος για την αξιολόγηση των δεδομένων που λαμβάνονται με τον ανιχνευτή ARCA. Η ανάλυση για την επιλογή των δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αναλύσεις φυσικής εξηγείται λεπτομερώς. Στο κεφάλαιο 7, περιγράφεται η ανάλυση των ανακατασκευασμένων δεδομένων. Ξεκινώντας με λεπτομερείς συγκρίσεις δεδομένων και προσομοιώσεων, παρουσιάζεται η στρατηγική επιλογής απαιτήσεων που εφαρμόζονται προκειμένου να απορριφθεί το υπόβαθρο ατμοσφαιρικών μιονίων καταλήγοντας με τη τελική επιλογή γεγονότων νετρίνων. Τα υποψήφια γεγονότα νετρίνων παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά χρησιμοποιώντας δεδομένα του KM3NeT-ARCA. Το Κεφάλαιο 8, περιγράφει την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε για τη μελέτη της διάχυτης αστροφυσικής ροής νετρίνων χρησιμοποιώντας τα πρώτα δεδομένα του ARCA. Αρχικά, για τα συμβάντα υψηλής ενέργειας, ορίστηκαν κριτήρια σε βασικές ποσότητες για την απόρριψη του υποβάθρου, ενώ για το δείγμα γεγονότων χαμηλής ενέργειας, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος μηχανικής εκμάθησης Boosted Decision Tree (BDT) για την επιλογή γεγονότων νετρίνων και την απόρριψη του υποβάθρου από ατμοσφαιρικά μιόνια. Με το συνδυασμό των δύο δειγμάτων, παρουσιάστηκε η τελική επιλογή γεγονότων και χρησιμοποιήθηκε για να ληφθεί η ευαισθησία (sensitivity) και η δυνατότητα ανακάλυψης (discovery potential) του ARCA στην αστροφυσική ροή νετρίνων που μετρήθηκε από το IceCube. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 9. Στο Κεφάλαιο 10, παρουσιάζεται η ανάλυση των ενεργειών στις προσομοιώσεις του πλήρους ανιχνευτή ARCA και η κατασκευή μιας διορθωτικής συνάρτησης της ανακατασκευασμένης ενέργειας με σκοπό την βελτίωση της περιγραφής της ενέργειας που εναποτίθεται στον ανιχνευτή.