Development of real-time systems for neutrino detection with KM3NeT in the context of multi-messenger astronomy

par Godefroy Vannoye

lundi 16 juin 2025, 14:00 → 17:00 Europe/Paris

Amphitéâtre (CPPM)

Composition du jury :

Anna Franckowiak, Rapporteure,  Université de la Ruhr à Bochum

Sergio Navas, Rapporteur, Université de Grenade

Alexis Coleiro, Examinateur, Université Paris Cité

Alec Habig, Examinateur, Université du Minnesota à Duluth

Cristinel Diaconu, Président, CNRS/Aix-Marseille Université

Damien Dornic, Directeur de thèse, CNRS/Aix-Marseille Université

Vladimir Kulikovskiy Co-directeur de thèse, INFN Genova

 

Résumé :
Les 10 dernières années ont vu émerger le domaine de l’astronomie multimessager. L’astronomie multimessager consiste à coordonner l’observation de signaux de différentes natures venant d’une même source. Il existe quatre signaux messagers : les rayons cosmiques, les photons, les neutrinos et les ondes gravitationnelles. Chaque messager apporte un point de vue différent aux mécanismes ayant lieu dans les objets célestes. KM3NeT est un télescope à neutrino sous-marin basé sur la détection de photons Cherenkov. Deux détecteurs, ARCA et ORCA, sont actuellement en construction sur deux fonds marins de la Méditerranée. Les détecteurs prennent déjà des données avec des configurations partielles. Bien qu’ils aient des objectifs différents, les deux détecteurs peuvent être utilisé pour de l’astronomie neutrino à travers une grande gamme d’énergie, de quelques dizaines de MeV au PeV. Le programme d’analyse multimessager en temps réel de KM3NeT, à ce jour au stade de prototype, aspirent à détecter des neutrinos en temps réel pour transmettre des alertes et effectuer des recherches de contreparties. Ce manuscrit présente deux parties du programme : le pipeline de détection de supernova à effondrement de coeur (abrégé en CCSN de la traduction en anglais) et le pipeline d’alertes neutrinos. L’observation de neutrinos venant de la prochaine supernova galactique et les ondes gravitationnelles et rayonnements électromagnétiques associés permettra d’obtenir de précieuses données sur ce phénomène. En recherchant un excès de coïncidences au dessus du bruit de fond optique, KM3NeT est capable de détecter des neutrinos basse énergie venant de CCSN. La combinaison des deux détecteurs assure une sensibilité à des évènements galactiques et quasi galactiques. Grâce à son intégration au sein du réseau d’alerte SNEWS and le travail en cours pour calculer, transmettre et combien les données temporelles de neutrinos, KM3NeT jouera un rôle clef dans la notification des autres télescopes. Ce manuscrit présente les capacités de détection en temps réel de KM3NeT, les informations additionnelles que peuvent apporter les données temporelles et le suivi des alertes externes. Les alertes jouent un rôle clef dans la découverte et l’observation des phénomènes transitoires célestes. Dans le domaine de l’astronomie neutrino, les alertes sont l’une des meilleures stratégies pour identifier des neutrinos probablement astrophysiques et caractériser leur potentiel source grâce à des observations de suivi dans tout le spectre électromagnétique. The manuscrit présente les capacités actuelles de KM3NeT pour reconstruire et classifier les neutrinos astrophysiques en temps réel et les deux sélections prévues : l’une basée seulement sur les propriétés du neutrino et l’autre sur les caractéristiques multi longueurs d’onde des objets célestes dans la région d’origine du neutrino.

Abstract :
The last ten years saw the development of multi-messenger astronomy. Multimessenger astronomy is the coordinated observation of signals of different nature but from the same source. Each messenger gives a different point of view on the mechanisms at play within a source. Neutrinos play a special role: they are neutral and interact weakly, and as such propagate in a straight line and are not absorbed. Their detection enables to probe the inside of celestial objects. KM3NeT is a multipurpose cubic-kilometer neutrino observatory under construction in two different sites of the Mediterranean Sea. It consists of two detectors, ARCA and ORCA and is currently taking data with the first set of detection lines in operation. Although having different primary goals, both detectors can be used for neutrino astronomy over a wide energy range, from a few tens of MeV to PeV energies. The KM3NeT Online Multi-Messenger Program, at present in the prototype phase, aims to detect neutrinos in real-time to communicate alerts and perform follow-up searches. This manuscript presents two parts of the program: the core-collapse supernova (CCSN) detection pipeline and the neutrino alert pipeline. The observation of the neutrino burst coming from the next Galactic CCSN and its gravitational wave and electromagnetic counterparts will provide invaluable information on this phenomenon. By searching for an excess of coincidences above the optical background, KM3NeT is able to detect low energy neutrinos coming from CCSN. The sensitivity to Galactic and near- Galactic events is expected when data from the two infrastructures is combined. With its integration in the SNEWS global alert network and the ongoing work to compute, transmit and combine the neutrino light-curves of different detectors, KM3NeT will play a key part in notifying other telescopes in time. This manuscript presents the real-time detection capabilities of KM3NeT, the additional information that can be brought by light-curve computations and the follow-up of external alerts. Alerts play a key role in the discovery and observation of celestial transients. In the neutrino astronomy field, they are one of the best strategies to identify likely astrophysical neutrinos and characterize their potential source by performing follow-up observations in all the electromagnetic spectrum. This manuscript presents the current capabilities of the detectors to reconstruct and classify astrophysical neutrinos in real-time and the two planned parallel selections: one based on pure neutrino properties and the other relying on the multi-wavelength characteristics of the celestial objects inside the provenance region of neutrinos.

Lien Zoom :
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