Recherche des sources transitoires avec les télescopes à neutrinos ANTARES et KM3NeT dans l’ère multi-messager

Search for transient sources with the ANTARES and KM3NeT neutrino telescopes in the multi-messenger astronomy era

• Auteur / Autrice : Marta Colomer Molla
• Direction : Antoine Kouchner, Juan de Dios Zornoza Gómez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec Universitat de Valencia (Espagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Kate Scholberg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Kouchner, Juan de Dios Zornoza Gómez, Kate Scholberg, Imre Bartos, Jürgen Brunner, Alessandra Tonazzo, Manel Perucho
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Imre Bartos, Jürgen Brunner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique des neutrinos

Physique des hautes énergies

Astrophysique

Supernovae

Particules (physique)

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrinos

Astroparticules

Supernova

Astrophysique

Haute energie

Univers

Transitoire

Multi-messagers

Neutrinos

Astroparticles

Supernova

Astrophysics

High-energy

Univers

Transients

Multi-messenger

Résumé

Deux analyses sont détaillées dans cette thèse portant sur l’astronomie à neutrinos et les aspects multi-messanger avec les télescopes de type Cherenkov dans la mer Méditerranée.La première analyse explore les capacités des télescopes à neutrinos KM3NeT pour détecter le signal provenant d’une explosion supernova à effondrement de cœur (CCSN) dans la Galaxie,ainsi que les contraintes physiques qui pourrait être extraites d’une telle détection. A part le Soleil, les explosions supernova sont les seules sources astrophysiques de neutrinos confirmées.Une méthode de recherche des neutrinos émis par ces sources a été développée pendant cette thèse, basée sur l’analyse des premières données de KM3NeT, ce qui a permis de caractériser le bruit de fond et la performance du détecteur. Les résultats obtenus montrent que KM3NeT sera sensible à ce flux de neutrinos aux énergies du MeV, avec une couverture de plus du 95 % des CCSN galactiques à 5 sigma de niveau de confiance. Ceci indique que KM3NeT va contribuer à l’observation de la prochaine explosion supernova Galactique. L’analyse supernova a été implémentée pour des recherches en temps réel et il est actif depuis l’été 2019. En fait, cette analyse a conduit aux premiers résultats de KM3NeT en temps réel avec le suivi des alertes des signaux d’ondes gravitationnelles (GW). Ces résultats ont fait possible l’incorporation de l’expérienceKM3NeT au réseau SNEWS, dont tous les détecteurs sensibles aux neutrinos de supernova font partie.La deuxième analyse utilise les données du télescope à neutrinos ANTARES pour chercher des neutrinos de haute énergie (TeV-PeV) en coïncidence temporelle et spatiale avec des sources d’ondes gravitationnelles et des premiers sursauts gamma (GRBs) détectés à très haute énergie. En fait, les collisions d’objets compacts dans des systèmes binaires et les sursauts gamma ont été suggérés pendant longtemps comme des potentielles sources de neutrinos cosmiques.Typiquement, ces recherches cherchent des neutrinos muoniques qui traversent la Terre, vus comme des longues traces montantes dans le détecteur. Pour la première fois, tous les saveurs de neutrinos, ce qui incluse ce qu’on appelle les événements avec une topologie de type cascade, ont été incorporés dans ce type d’analyse. D’autre part, cette analyse a été faite pour des sources au dessus (événements montants) et en dessous (événements descendant) de l’horizon d’ANTARES.Ceci a mené une amélioration de la sensitivité du télescope du 15-20% pour des analyses montants et jusqu’au 200 % pour des recherches d’événements descendants. Ces analyses ont donné comme résultat aucun neutrino détecté en coïncidence dans les données d'ANTARES avec les sources étudiées.

Two analyses are detailed in this thesis related to neutrino and multi-messenger astronomy with Cherenkov telescopes in the Mediterranean Sea. The first analysis explores the capabilities of the KM3NeT neutrino telescopes to detect the signal from a Galactic core-collapse supernova (CCSN), as well as the physical constraints that could be extracted from such a detection. Together with the Sun, CCSNe are the only confirmed sources of astrophysical neutrinos. A search method for these astrophysical neutrino sources with KM3NeT has been developed during this thesis, based on the analysis of the first data which has allowed for a good characterisation of the background and the detector performance. The results show that the KM3NeT detector might be sensitive to this MeV neutrino flux, with a coverage at 5σ discovery potential of more than 95% of Galactic CCSN progenitors. Therefore, KM3NeT will contribute to the observation of the next Galactic explosion. The CCSN analysis has been implemented in a real-time trigger, that is active since summer 2019. Moreover, it has yielded the first KM3NeT real-time results with the follow-up of the unmodelled candidate gravitational-wave (GW) events. These results have allowed the KM3NeT experiment to join the SNEWS network, to which all detectors sensitive to CCSN neutrino send their alerts. The second analysis exploits the data of the ANTARES neutrino telescope to search for high-energy neutrinos (TeV-PeV) in time and space coincidence with gravitational-wave sources and very-high energy gamma-ray bursts (GRBs). In fact, compact binary mergers and gamma-ray bursts have long been suggested as potential high-energy neutrino emitters. Typically, these searches look for muon neutrinos coming through the Earth (upgoing tracks). For the first time, all-flavors (including the so-called shower events) were included in this kind of searches. Moreover, these analyses have been applied to sources both below the ANTARES horizon (seen as upgoing events), and above the horizon of the ANTARES telescope (downgoing). This has lead to an improvement of sim15-30% for upgoing events and up to a 200% for searches above the horizon. The analyses carried out during the thesis yielded no neutrino in coincidence with any of the gravitational-wave sources from the first GW catalog, neither with the first GRBs detected at very high energies.