Акустические методы регистрации нейтрино

Цель работы
изучение акустических методов регистрации нейтрино
экспериментальное исследование акустического поля
оптимизация конфигурации нейтринного телескопа
Явление возникновения акустического излучения при прохождении заряженных частиц
в веществе
Детектирование по акустическим сигналам каскадов частиц, инициированных космическими нейтрино
в воде

Актуальность работы
Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов.
Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < 1015 эВ:
длина затухания света ~ 70 м
объем детектора ~ 1 км3
Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией
Е > 1015 эВ:
длина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГц
возможность достижения объема >> 1 км3

Механизм генерации звука
1. Ионизация и возбуждение атомов среды
2. Мгновенное выделение теплоты в ограниченной области пространства
3. Импульсное тепловое расширение
4. Акустическая волна
L
d

Взаимодействие нейтрино в воде
l
ν
В результате взаимодействия нейтрино с нуклонами ядер образуются электромагнитно-адронные ливни. Для нейтрино с энергией 1018 эВ 90% энергии ливня заключено в цилиндре длиной 5 м и диаметром 3 см.
В соответствии с терморадиационной моделью, в результате поглощения энергии ливня возникает акустический сигнал, который распространяется в цилиндрической области перпендикулярно оси каскада.
Сигнал имеет биполярную форму. Для ливня с энергией1018 эВ амплитуда давления на расстоянии 1 км составляет несколько мПа, максимум спектра сигнала приходится
на 10-20 кГц.
5 м
ливень
3 см

Эксперимент
НИИЯФ МГУ

Эксперимент в НИИЯФ МГУ
Гидрофон перемещался вдоль линейных трасс с шагом 4.5 мм.
Измерены две трассы на расстояниях X = 6 см и X = 4.5 см от оси пучка, каждая трасса содержала 70 точек.

Параметры пучка в эксперименте
1 cм
1.5 cм

Результаты эксперимента: акустическое поле
Расстояние
вдоль
трассы, см
Время, мкс
D
C
B
A
AB:
сигнал от ближайшей точки излучающей акустической антенны
CD:
источник – область заглушки, через которую пучок входит
в воду

Моделирование
INFN, Genova

Акустическое поле, создаваемое нейтрино
Eν = 1018 eV

Примеры конфигурации детектора
100x100x100 m3
500x500x100 m3
1000x1000x100 m3
1500x1500x100 m3
1000 Гидрофонов

Типичное событие

Результаты моделирования
Статистика событий, зарегистрированных при помощи указанной конфигурации детектора за 1 год

Результаты моделирования
Диапазон энергий от 1018 до 1020 эВ
Диапазон энергий от 5∙1019 до 1020 эВ

Результаты работы
Изучены основные принципы акустической регистрации нейтрино
В эксперименте впервые получена детальная пространственно-временная зависимость акустического поля
На языке С++ написана программа для моделирования эффективности регистрации нейтрино акустическим методом. Проведена оптимизация конфигурации акустических модулей нейтринного телескопа.

Проблемы и перспективы
Точность
Варьирование условий срабатывания гидрофона и детектирования событий
Учёт зависимости скорости звука от глубины и солёности – решение численными методами