Дипломная работа Афанасьева Андрея Анатольевича Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Широков Евгений Вадимович Акустические методы регистрации нейтрино

2 Цель работы изучение акустических методов регистрации нейтрино экспериментальное исследование акустического поля оптимизация конфигурации нейтринного телескопа 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 3 Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов. Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов. Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < эВ: Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < эВ: длина затухания света ~ 70 мдлина затухания света ~ 70 м объем детектора ~ 1 км 3объем детектора ~ 1 км 3 Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией Е > эВ: Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией Е > эВ: длина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГцдлина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГц возможность достижения объема >> 1 км 3возможность достижения объема >> 1 км 3 Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов. Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов. Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < эВ: Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < эВ: длина затухания света ~ 70 мдлина затухания света ~ 70 м объем детектора ~ 1 км 3объем детектора ~ 1 км 3 Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией Е > эВ: Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией Е > эВ: длина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГцдлина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГц возможность достижения объема >> 1 км 3возможность достижения объема >> 1 км 3

Механизм генерации звука 4 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 5 l ν В результате взаимодействия нейтрино с нуклонами ядер образуются электромагнитно-адронные ливни. Для нейтрино с энергией 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 энергией10 18 эВ амплитуда давления на расстоянии 1 км составляет несколько мПа, максимум спектра сигнала приходится на кГц. В результате взаимодействия нейтрино с нуклонами ядер образуются электромагнитно-адронные ливни. Для нейтрино с энергией 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 энергией10 18 эВ амплитуда давления на расстоянии 1 км составляет несколько мПа, максимум спектра сигнала приходится на кГц. 5 м ливень 3 см

Эксперимент НИИЯФ МГУ

Эксперимент в НИИЯФ МГУ 7 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. 1 м пучок гидрофон Y Z ЭМ ливень 0.5 м Z X 4.5 cм 6 cм6 cм6 cм6 cм

Параметры пучка в эксперименте 8 Энергия электронов 50 и 70 МэВ 50 и 70 МэВ Длительность импульса 7-9 мкс 7-9 мкс Частота повторения импульсов 10 Гц 10 Гц Пространственная форма поперечного сечения пучка Средний ток пучка мА мА Суммарное энерговыделение в импульсе ~ эВ ~ эВ 1 cм1 cм1 cм1 cм 1.5 cм

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

Моделирование INFN, Genova

11 Акустическое поле, создаваемое нейтрино E ν = eV

Примеры конфигурации детектора x100x100 m 3 500x500x100 m x1000x100 m x1500x100 m Гидрофонов

13 Типичное событие

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

15 Результаты моделирования Эффективность регистрации, %Полное число зарегистри- рованных нейтрино Эффективность регистрации, % Полное число зарегистри- рованных нейтрино Диапазон энергий от до эВ Диапазон энергий от до эВ

Результаты работы 16 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 17

18 Спасибо!