The KM3NeT potential for the next core-collapse supernova observation with neutrinos

• Published in: The European Physical Journal C
• Main Authors: Aiello, S., Albert, A., Garre, S. Alves, Aly, Z., Ambrosone, A., Ameli, F., Andre, M., Androulakis, G., Anghinolfi, M., Anguita, M., Anton, G., Ardid, M., Ardid, S., Aublin, J., Bagatelas, C., Baret, B., Basegmez Du Pree, S., Bendahman, M., Benfenati, F., Berbee, E., van den Berg, A.M., Bertin, V., Biagi, S., Bissinger, M., Boettcher, M., Cabo, M. Bou, Boumaaza, J., Bouta, M., Bouwhuis, M., Bozza, C., Brânza¸s, H., Bruijn, R., Brunner, J., Buis, E., Buompane, R., Busto, J., Caiffi, B., Calvo, D., Capone, A., Carretero, V., Castaldi, P., Celli, S., Chabab, M., Chau, N., Chen, A., Cherubini, S., Chiarella, V., Chiarusi, T., Circella, M., Cocimano, R., Coelho, J.A.B., Coleiro, A., Colomer Molla, M., Coniglione, R., Coyle, P., Creusot, A., Cuttone, G., Dallier, R., de Martino, B., de Palma, M., Di Marino, M., Di Palma, I., Diaz, A.F., Diego-Tortosa, D., Distefano, C., Domi, A., Donzaud, C., Dornic, D., Dörr, M., Drouhin, D., Eberl, T., Eddyamoui, A., van Eeden, T., van Eijk, D., Bojaddaini, I. El, Elsaesser, D., Enzenhöfer, A., Espinosa, V., Fermani, P., Ferrara, G., Filipovic, M.D., Filippini, F., Fusco, L.A., Gabella, O., Gal, T., Soto, A. Garcia, Garufi, F., Gatelet, Y., Geisselbrecht, N., Gialanella, L., Giorgio, E., Gozzini, S.R., Gracia, R., Graf, K., Grasso, D., Grella, G., Guderian, D., Guidi, C., Haefner, J., Hamdaoui, H., van Haren, H., Heijboer, A., Hekalo, A., Hennig, L., Hernandez-Rey, J.J., Hofestädt, J., Huang, F., Ibnsalih, W. Idrissi, Illuminati, G., James, C.W., de Jong, M., de Jong, P., Jung, B.J., Kadler, M., Kalaczynski, P., Kalekin, O., Katz, U.F., Khan Chowdhury, N.R., Kistauri, G., van Der Knaap, F., Kooijman, P., Kouchner, A., Kreter, M., Kulikovskiy, V., Lahmann, R., Lamoureux, M., Larosa, G., Le Breton, R., Le Stum, S., Leonardi, O., Leone, F., Leonora, E., Lessing, N., Levi, G., Lincetto, M., Lindsey Clark, M., Lipreau, T., Longhitano, F., Lopez-Coto, D., Maderer, L., Manczak, J., Mannheim, K., Margiotta, A., Marinelli, A., Markou, C., Martin, L., Martinez-Mora, J.A., Martini, A., Marzaioli, F., Mastroianni, S., Mazzou, S., Melis, K.W., Miele, G., Migliozzi, P., Migneco, E., Mijakowski, P., Miranda, L.S., Mollo, C.M., Morganti, M., Moser, M., Moussa, A., Muller, R., Musumeci, M., Nauta, L., Navas, S., Nicolau, C.A., Fearraigh, B.O., O'Sullivan, M., Organokov, M., Orlando, A., Gonzalez, J. Palacios, Papalashvili, G., Papaleo, R., Passaro, G., Pastore, C., P˘aun, A.M., Pavalas, G.E., Pellegrino, C., Perrin-Terrin, M., Pestel, V., Piattelli, P., Pieterse, C., Pikounis, K., Pisanti, O., Poirè, C., Popa, V., Pradier, T., Pühlhofer, G., Pulvirenti, S., Rabyang, O., Raffaelli, F., Randazzo, N., Razzaque, S., Real, D., Reck, S., Riccobene, G., Rivoire, S., Romanov, A., Rovelli, A., Salesa Greus, F., Samtleben, D.F.E., Sanchez Losa, A., Sanguineti, M., Santangelo, A., Santonocito, D., Sapienza, P., Schnabel, J., Schneider, M.F., Schumann, J., Schutte, H.M., Seneca, J., Sgura, I., Shanidze, R., Sharma, A., Simeone, F., Sinopoulou, A., Spisso, B., Spurio, M., Stavropoulos, D., Stellacci, S.M., Taiuti, M., Tayalati, Y., Tenllado, E., Thakore, T., Thiersen, H., Tingay, S., Tsourapis, V., Tzamariudaki, E., Tzanetatos, D., Unbehaun, T., van Elewyck, V., Vannoye, G., Vasileiadis, George, Versari, F., Viola, S., Vivolo, D., de Wasseige, G., Wilms, J., Wojaczynski, R., de Wolf, E., Zavatarelli, S., Zegarelli, A., Zito, D., Zornoza, J.D., Zuñiga, J., Zywucka, N.
• Other Authors: Groupe de Recherche en Physique des Hautes Energies (GRPHE), Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-IUT de Colmar, Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA)), Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM), Aix Marseille Université (AMU)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AstroParticule et Cosmologie (APC (UMR_7164)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Observatoire de Paris, Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées (SUBATECH), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom Paris (IMT)-Institut Mines-Télécom Paris (IMT), Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (LUPM), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut universitaire de France (IUF), Ministère de l'Education nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche (M.E.N.E.S.R.), KM3NeT, ANR-15-CE31-0020,DAEMONS,Démonstration de la possibilité d'établir l'ordonnancement des masses de neutrinos dans la mer(2015), ANR-10-LABX-0023,UnivEarthS,Earth - Planets - Universe: observation, modeling, transfer(2010), ANR-18-IDEX-0001,Université de Paris,Université de Paris(2018)
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: HAL CCSD 2021
• Subjects: KM3NeT: sensitivity; neutrino: detector; neutrino: burst; neutrino: flux; supernova: collapse; photomultiplier; background; water; oscillation; stability; signature; accretion; Cherenkov; spectral; horizon; optical; galaxy; cloud; tube; [PHYS]Physics [physics]; [PHYS.ASTR]Physics [physics]/Astrophysics [astro-ph]; Milky Way; Orca
• Online Access: https://hal.science/hal-03210328; https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-09187-5

International audience The KM3NeT research infrastructure is under construction in the Mediterranean Sea. It consists of two water Cherenkov neutrino detectors, ARCA and ORCA, aimed at neutrino astrophysics and oscillation research, respectively. Instrumenting a large volume of sea water with $\sim {6200}$ optical modules comprising a total of $\sim {200{,}000}$ photomultiplier tubes, KM3NeT will achieve sensitivity to $\sim {10} \ \mathrm{MeV}$ neutrinos from Galactic and near-Galactic core-collapse supernovae through the observation of coincident hits in photomultipliers above the background. In this paper, the sensitivity of KM3NeT to a supernova explosion is estimated from detailed analyses of background data from the first KM3NeT detection units and simulations of the neutrino signal. The KM3NeT observational horizon (for a $5\,\sigma $ discovery) covers essentially the Milky-Way and for the most optimistic model, extends to the Small Magellanic Cloud ($\sim {60} \ \mathrm{kpc}$). Detailed studies of the time profile of the neutrino signal allow assessment of the KM3NeT capability to determine the arrival time of the neutrino burst with a few milliseconds precision for sources up to 5–8 kpc away, and detecting the peculiar signature of the standing accretion shock instability if the core-collapse supernova explosion happens closer than 3–5 kpc, depending on the progenitor mass. KM3NeT’s capability to measure the neutrino flux spectral parameters is also presented.