Pre-supernova Alert System for Super-Kamiokande
Authors: Machado L. N. , Abe K. , Hayato Y. , Hiraide K. , Ieki K. , Ikeda M. , Kameda J. , Kanemura Y. , Kaneshima R. , Kashiwagi Y. , Kataoka Y. , Miki S. , Mine S. , Miura M. , Moriyama S. , Nakano Y. , Nakahata M. , Nakayama S. , Noguchi Y. , Okamoto K. , Sato K. , Sekiya H. , Shiba H. , Shimizu K. , Shiozawa M. , Sonoda Y. , Suzuki Y. , Takeda A. , Takemoto Y. , Takenaka A. , Tanaka H. , Watanabe S. , Yano T. , de Perio P. , Martens K. , Vagins M. R. , Bian J. , Griskevich N. J. , Kropp W. R. , Locke S. , Smy M. B. , Sobel H. W. , Takhistov V. , Yankelevich A. , Han S. , Kajita T. , Okumura K. , Tashiro T. , Tomiya T. , Wang X. , Xia J. , Yoshida S. , Megias G. D. , Fernandez P. , Labarga L. , Ospina N. , Zaldivar B. , Pointon B. W. , Akutsu R. , Gousy-Leblanc V. , Hartz M. , Konaka A. , Prouse N. W. , Kearns E. , Raaf J. L. , Wan L. , Wester T. , Hill J. , Kim J. Y. , Lim I. T. , Park R. G. , Bodur B. , Scholberg K. , Walter C. W. , Bernard L. , Coffani A. , Drapier O. , El Hedri S. , Giampaolo A. , Mueller Th. A. , Santos A. D. , Paganini P. , Quilain B. , Ishizuka T. , Nakamura T. , Jang J. S. , Learned J. G. , Cao S. , Choi K. , Anthony L. H. V. , Martin D. , Scott M. , Sztuc A. A. , Uchida Y. , Berardi V. , Catanesi M. G. , Radicioni E. , Calabria N. F. , De Rosa G. , Collazuol G. , Iacob F. , Lamoureux M. , Mattiazzi M. , Ludovici L. , Gonin M. , Pronost G. , Fujisawa C. , Maekawa Y. , Nishimura Y. , Sasaki R. , Friend M. , Hasegawa T. , Ishida T. , Jakkapu M. , Kobayashi T. , Matsubara T. , Nakadaira T. , Nakamura K. , Oyama Y. , Sakashita K. , Sekiguchi T. , Tsukamoto T. , Boschi T. , Di Lodovico F. , Gao J. , Goldsack A. , Katori T. , Migenda J. , Taani M. , Zsoldos S. , Kotsar Y. , Ozaki H. , Suzuki A. T. , Takeuchi Y. , Yaamoto S. , Bronner C. , Feng J. , Kikawa T. , Mori M. , Nakaya T. , Wendell R. A. , Yasutome K. , Jenkins S. J. , McCauley N. , Mehta P. , Tsui K. M. , Fukuda Y. , Itow Y. , Menjo H. , Ninomiya K. , Lagoda J. , Lakshmi S. M. , Mandal M. , Mijakowski P. , Prabhu Y. S. , Zalipska J. , Jia M. , Jiang J. , Jung C. K. , Wilking M. J. , Yanagisawa C. , Harada M. , Ishino H. , Ito S. , Kitagawa H. , Koshio Y. , Ma W. , Nakanishi F. , Sakai S. , Barr G. , Barrow D. , Cook L. , Samani S. , Wark D. , Nova F. , Yang J. Y. , Malek M. , McElwee J. M. , Stone O. , Thiesse M. D. , Thompson L. F. , Okazawa H. , Kim S. B. , Seo J. W. , Yu I. , Ichikawa A. K. , Nakamura K. D. , Tairafune S. , Nishijima K. , Iwamoto K. , Nakagiri K. , Nakajima Y. , Taniuchi N. , Yokoyama M. , Izumiyama S. , Kuze M. , Inomoto M. , Ishitsuka M. , Ito H. , Kinoshita T. , Matsumoto R. , Ommura Y. , Shigeta N. , Shinoki M. , Suganuma T. , Yonenaga M. , Martin J. F. , Tanaka H. A. , Towstego T. , Chen S. , Xu B. D. , Zhang B. , Posiadala-Zezula M. , Hadley D. , Nicholson M. , O’Flaherty M. , Richards B. , Ali A. , Jamieson B. , Marti Ll. , Minamino A. , Pintaudi G. , Sano S. , Suzuki S. , Wada K. ,   (The Super-Kamiokande Collaboration)
Published: August 2022

Abstract
In 2020, the Super-Kamiokande (SK) experiment moved to a new stage (SK-Gd) in which gadolinium (Gd) sulfate octahydrate was added to the water in the detector, enhancing the efficiency to detect thermal neutrons and consequently improving the sensitivity to low energy electron anti-neutrinos from inverse beta decay (IBD) interactions. SK-Gd has the potential to provide early alerts of incipient core-collapse supernovae through detection of electron anti-neutrinos from thermal and nuclear processes responsible for the cooling of massive stars before the gravitational collapse of their cores. These pre-supernova neutrinos emitted during the silicon burning phase can exceed the energy threshold for IBD reactions. We present the sensitivity of SK-Gd to pre-supernova stars and the techniques used for the development of a pre-supernova alarm based on the detection of these neutrinos in SK, as well as prospects for future SK-Gd phases with higher concentrations of Gd. For the current SK-Gd phase, high-confidence alerts for Betelgeuse could be issued up to 9 hr in advance of the core collapse itself.