Development of methods and study of the neutrino flux with the KM3NeT neutrino telescope

Abstract

The Cosmos continues to captivate human curiosity, with many mysteries yet to be unraveled. Neutrinos offer unique insights into energetic astrophysical processes otherwise hidden and probe fundamental physics at the PeV scale. The KM3NeT infrastructure in the Mediterranean Sea hosts two neutrino detectors under construction: ORCA, for studying neutrino properties, and ARCA, for the observation of high-energy neutrinos from astrophysical sources. Data from the first ARCA configurations ---ARCA6, ARCA8, ARCA19, and ARCA21--- are analysed using machine learning for the event selection and advanced statistical methods to extract the diffuse astrophysical neutrino flux parameters. Systematic uncertainties are evaluated and discussed. Even with a small fraction of its full volume, KM3NeT/ARCA can reject atmospheric backgrounds, identify neutrino candidates, and constrain the diffuse flux, showcasing the detector's early scientific potential. Exploratory studies on acoustic neutrino detection are also included. The capability to identify ultra high energy neutrinos through the detection of acoustic signals is investigated and data reduction techniques are explored.

Το Σύμπαν συνεχίζει να αιχμαλωτίζει την ανθρώπινη περιέργεια, με πολλά μυστήρια να παραμένουν ανεξερεύνητα. Τα νετρίνα παρέχουν μοναδικές πληροφορίες για μακρινές αστροφυσικές διεργασίες και τη μελέτη της θεμελιώδους φυσικής στην κλίμακα των PeV. Η υποδομή KM3NeT στη Μεσόγειο Θάλασσα συνίσταται από δύο υπό κατασκευή τηλεσκόπια νετρίνων: την ORCA, για τη μελέτη των ιδιοτήτων των νετρίνων και την ARCA, για την παρατήρηση υψηλοενεργειακών νετρίνων προερχόμενων από αστροφυσικές πηγές. Τα δεδομένα από τις αρχικές διατάξεις της ARCA -ARCA6, ARCA8, ARCA19 και ARCA21- αναλύονται με μεθόδους μηχανικής μάθησης για την επιλογή γεγονότων και με προηγμένες στατιστικές τεχνικές για την εκτίμηση των παραμέτρων της διάχυτης ροής κοσμικών νετρίνων. Οι συστηματικές αβεβαιότητες εξετάζονται επίσης. Ακόμη και με μικρό ποσοστό του πλήρους ανιχνευτικού όγκου, η KM3NeT/ARCA είναι σε θέση να απορρίπτει το ατμοσφαιρικό υπόβαθρο, να εντοπίζει υποψήφια γεγονότα νετρίνων και να θέτει περιορισμούς στη διάχυτη ροή, αναδεικνύοντας τις πρόωρες επιστημονικές δυνατότητες του ανιχνευτή. Στην εργασία περιλαμβάνονται επίσης διερευνητικές μελέτες για την ακουστική ανίχνευση νετρίνων, όπου εξετάζεται η δυνατότητα ταυτοποίησης νετρίνων υπερυψηλής ενέργειας μέσω του εντοπισμού ακουστικών σημάτων, με παράλληλη εφαρμογή τεχνικών μείωσης των δεδομένων.