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

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

• Auteur / Autrice : Massimiliano Lincetto
• Direction : José Busto, Damien Dornic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules et astroparticules
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)
• Jury : Président / Présidente : Éric Kajfasz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ines Gil-Botella, Erin O'Sullivan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Anne Bizouard, Ronald Bruijn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Astrophysique des neutrinos

Télescope à neutrinos ANTARES

Mots clés libres

Astronomie multi-Messagers

Telescope à neutrino

Neutrinos de supernova

Multi-Messenger astronomy

Supernova neutrinos

Neutrino telescope

Résumé

Parmi les développements récents de l'astronomie multi-messagers, les télescopes à neutrinos jouent un rôle clé dans la réponse aux questions fondamentales sur l'origine des rayons cosmiques. Les détecteurs Cherenkov de neutrinos, KM3NeT ARCA et ORCA, vont équiper un kilomètre cube d'eau de mer avec environ 200 000 photomultiplicateurs, afin d'étudier respectivement les neutrinos astrophysiques et les propriétés fondamentales des neutrinos. L'observation de neutrinos à partir de la prochaine supernova à effondrement de cœur sera révolutionnaire pour l'astrophysique. Dans cette thèse, la conception de KM3NeT est exploitée en analysant les coïncidences détectées par les 31 PMT de chaque module optique. Après avoir définit la réponse du détecteur, une mesure du flux de muons atmosphériques en fonction de la profondeur de l'eau de mer est présentée. Le sujet principal de la thèse est l'étude de la capacité de KM3NeT à observer un émission de neutrinos de supernova à effondrement du cœur. Les stratégies de filtrage de fond et de sélection des événements sont décrites. La sensibilité est estimée sur la base de modèles avancés et d'une simulation détaillée du détecteur. La mise en œuvre de l'analyse dans l'infrastructure multi-messagers en temps réel de KM3NeT, y compris l'envoi d'alerte au réseau mondial SNEWS, est illustrée. Les premières analyses de suivi des alertes d’ondes gravitationnelles sont présentées. Enfin, une stratégie exploitant les techniques de multilatération acoustique et de beamforming est proposée pour calibrer le pointage absolu du détecteur, un requis fondamentale pour exploiter la résolution angulaire inférieure à 0,1 degré obtenue par ARCA.

Among the recent developments of multi-messenger astronomy, neutrino telescopes play a key role in addressing the fundamental questions on the origin of cosmic rays. The KM3NeT ARCA and ORCA Cherenkov neutrino detectors will instrument a cubic kilometre of seawater with approximately 200000 photomultiplier tubes, in order to study astrophysical neutrinos and neutrino fundamental properties. The observation of a neutrino burst from the next nearby core-collapse supernova will be groundbreaking for astrophysics. In this thesis, the KM3NeT design is exploited by analysing the coincidences detected by the 31 PMTs of each optical module. After characterising the detector response, a measurement of the atmospheric muon flux as a function of seawater depth is presented. The thesis main subject is the study of the KM3NeT capability of observing a core-collapse supernova neutrino burst. The background filtering and event selection strategies are described. The sensitivity is estimated on the basis of advanced models and a detailed detector simulation. The implementation of the analysis in the KM3NeT real-time multi-messenger infrastructure, including the alert sending to the global SNEWS network, is illustrated. The first follow-up analyses of gravitational-wave alerts are reported. Finally, a strategy exploiting acoustic multilateration and beamforming techniques is proposed to calibrate the absolute pointing of the detector, a fundamental requirement to exploit the sub-0.1 degree angular resolution achieved by ARCA.