New studies on cosmogenic induced spallation background for Supernova relic neutrino search in the Super-Kamiokande experiment
Nouvelles études sur le fond cosmogéniques de spallation pour la recherche de neutrinos reliques de Supernova dans l'expérience Super-Kamiokande
Résumé
Neutrinos have played a key role in astrophysics, from the characterization of nuclear fusion processes in the Sun to the observation of supernova SN1987A and multiple extragalactic events. The Super-Kamiokande experiment had a major part in these astrophysical studies by investigating low energy neutrinos. It has notably been instrumental in characterizing the 8B solar neutrino spectrum and currently exhibits the best sensitivity to the diffuse neutrino background from distant supernovae. Low energy searches however face significant challenges due to important backgrounds from cosmic muon spallation: the reduction of this major contamination is fundamental in order to reach the sensitivity for a first observation of supernova relic neutrinos. Despite current reduction techniques, at the cost of a significant signal loss, remove a large fraction of spallation decays, the background rate remains dominant at 6-18 MeV kinetic energies. This is the reason why a new method has been developed implementing state-of-the-art neutron tagging algorithms, as well as a thorough characterization of spallation-inducing mechanisms. A unique FLUKA-based simulation, incorporating the most advanced nuclear models, played a key role in the investigation of spallation processes and in turn the tuning of new rejection methods. Thanks to the simulation we now have, not only an in-depth study of spallation backgrounds, but also a valuable tool for optimizing the analysis strategies of future low energy searches in water-Cherenkov detectors. Starting from the end of 2020, with the beginning of SK-Gd, the upgraded phase of Super-Kamiokande with the injection of gadolinium salt into the detector's otherwise ultrapure water, a remarkable increase of neutron detection efficiency is expected and thereby an extent of the experiment reach to the currently unobserved diffuse supernova neutrino background flux. A major effort in repairing the detector as well as an implementation of new calibration methods had been instrumental for the transition of the experiment and the first months of data taking have been successful. It is in this context that the new spallation reduction method, carefully optimized thanks to unique insights from simulation, proves its real potential showing an unprecedented efficiency in spallation identification and opening the door for important new discoveries.
Les neutrinos ont joué un rôle clé en astrophysique, de la caractérisation des processus de fusion nucléaire dans le Soleil à l'observation de la supernova SN1987A et de multiples événements extragalactiques. L'expérience Super-Kamiokande a joué un rôle majeur dans ces études astrophysiques en étudiant les neutrinos de basse énergie. Elle a notamment été déterminante dans la caractérisation du spectre des neutrinos solaires 8B et présente actuellement la meilleure sensibilité au bruit de fond diffus des neutrinos des distantes supernovae. Les recherches à basse énergie sont cependant confrontées à des défis importants en raison des bruits de fond significatifs de la spallation cosmique des muons : la réduction de cette contamination majeure est fondamentale afin d'atteindre la sensibilité pour une première observation de neutrinos reliques. Malgré les techniques de détection actuelles qui éliminent une grande partie des désintégrations de spallation avec un coût d'une perte de signal importante, le taux de fond reste dominant aux énergies cinétiques de 6 à 18 MeV. C'est la raison pour laquelle une nouvelle méthode a été développée mettant en œuvre des algorithmes de neutron tagging de pointe, ainsi qu'une caractérisation approfondie des mécanismes induisant la spallation. Une simulation originale basée sur FLUKA, incorporant les modèles nucléaires les plus avancés, joue un rôle clé dans l'étude des processus de spallation et dans la mise au point de nouvelles méthodes de rejet. Grâce à la simulation, nous disposons désormais non seulement d'une étude approfondie des fonds de spallation, mais aussi d'un outil précieux pour optimiser les stratégies d'analyse des futures recherches à basse énergie dans les détecteurs water-Tcherenkov. À partir de fin 2020, avec le début de SK-Gd, la phase améliorée de Super-Kamiokande avec l'injection de gadolinium dans l'eau ultrapure du détecteur, une augmentation remarquable de l'efficacité de détection des neutrons est attendue pour la recherche du fond diffus de neutrinos de supernova actuellement non observé. Un effort majeur de réparation du détecteur ainsi que la mise en œuvre de nouvelles méthodes de calibration ont été déterminants pour la nouvelle phase de l'expérience et. Les premiers mois de prise de données ont été couronnés de succès. C'est dans ce contexte que la nouvelle méthode de réduction du bruit de fond de spallation, soigneusement optimisée grâce à des informations issues de la simulation, prouve son réel potentiel montrant une efficacité sans précédent dans l'identification de la spallation et ouvrant la porte à de nouvelles découvertes à basse énergie pour Super-Kamiokande.
Origine : Version validée par le jury (STAR)