Galactic Core-Collapse Supernovae - a Multi-Messenger Approach
Astrophysics and Astronomy
Final Report Abstract
Seit der ersten und bisher einzigen Supernova, die mit Neutrinodetektoren nachgewiesen wurde, sind bereits 45 Jahre vergangen. Damals konnten mit zwei Dutzend nachgewiesenen Neutrinos wichtige Fragen der Sternentwicklung und fundamentale Fragen der Teilchenphysik adressiert werden. Heutige und im Aufbau befindliche Neutrino-Detektoren würden viele Größenordnungen mehr Neutrinos nachweisen und deren Flavors und Energien bestimmen; Gravitationswellendektoren könnten dazu komplementäre Informationen liefern. Umso wichtiger ist es, dass sichergestellt ist, dass sich die Experimente bei einer zukünftigen galaktischen Supernova in Bezug auf ihre Stärken ergänzen und andere Experimente triggern können. Im Rahmen der DFG-Förderung wurde Trigger für Gravitationswellenexperimente aufgesetzt und das Simulationsrahmenprogramm SNOwGLoBES erweitert, um Experimente wie IceCube und Km3NeT, sowie bislang nicht berücksichtigte Wechselwirkungskanäle einzubeziehen. Erste Untersuchungen für die Kombination der komplementären Informationen von Gravitationswellen und Neutrinos wurden durchgeführt. Derzeit und in naher Zukunft eingesetzte Neutrinodetektoren haben unterschiedliche Stärken: IceCube kann z.B. den zeitlichen Fluss der Neutrinoemission mit hoher Präzision vermessen, kann aber keine individuellen Wechselwirkungen rekonstruieren. Mit Hilfe einer neu aufgesetzten, detaillierten GEANT-Simulation konnte gezeigt werden, dass die mittlere Neutrinoenergie von Antielektronneutrinos - mit eingeschränkter Präzision - bestimmt werden kann. Diese wird sich in zukünftigen Ausbaustufen des IceCube-Detektors deutlich verbessern. Andere Experiment wie Super-Kamiokande, JUNO oder DUNE können gut die Energien und z.T. die Einfallsrichtung der SN-Neutrinos bestimmen und zwischen Neutrinoflavors unterscheiden. Daher ist ein gemeinsamer Fit, der Informationen mehrere Detektionskanäle und mehrerer Neutrinoexperimente auswertet, von großem Interesse. Die Erstellung eines dafür nötigen Rahmenprogramm auf Basis von SNOwGLoBES war eine der zentralen Aufgabenstellungen in diesem DFG-Projekt. Derzeit sind die Experimente JUNO, DUNE und IceCube implementiert; Hyper-Kamiokande wird in naher Zukunft ergänzt. Komplementär zu einer zweistufigen Methode, bei der Energiespektren in vorher gewählten Zeitintervallen bestimmt werden, wurde ein Algorithmus entwickelt, der die spektralen Fits und die zeitliche Abhängigkeit der spektralen Parameter gleichzeitig berücksichtigt. Die geplanten Untersuchung der Richtungsauflösung für den Ursprung des Supernova-Signals wurden nur zum Teil abgeschlossen, da die Messgenauigkeiten durch eine Triangulation in zwei externen Publikationen untersucht wurde. Im Rahmen dieses Projekts wurden von Mainzer Seite allerdings interessante Ergebnisse für die Richtungsauflösung in wasserbasiertem Szintillator (WbLS) erzielt.
Publications
- ``THEIA: an advanced optical neutrino detector,'' Eur. Phys. J. C 80 (2020) no.5, 416
Theia Proto-Collaboration
(See online at https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-020-7977-8) - ``Development of the comprehensive analysis tools for the Supernova neutrino detectors,'' Nuovo Cim. C 45 (2021) no.1, 14
V. Orekhov and M. Wurm
(See online at https://dx.doi.org/10.1393/ncc/i2022-22014-y) - IceCubes response to supernovae and periodic features in the count rates
Alexander Fritz, David Kappesser
(See online at https://doi.org/10.48550/arXiv.2108.05138) - ``JUNO Physics and Detector,'' Prog. Part. Nucl. Phys. 123 (2022) 103927
JUNO Collaboration
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2021.103927) - ``Prospects for the Detection of the Diffuse Supernova Neutrino Background with the Experiments SK-Gd and JUNO,'' Universe 8 (2022) no.3, 181
Y.-F. Li, M. Vagins and M. Wurm
(See online at https://doi.org/10.3390/universe8030181) - “Sensitivity of the proposed IceCube-Gen2 Neutrino Telescope to Neutrinos from Supernovae”, 30th Conference on Neutrino Physics, Seoul 2022
C. Mariscal et al., IceCube Gen2-Collaboration
