Radio detection of ultra-high energy neutrinos in Antarctica Dave Besson, University of Kansas Kansas Nebraska Colorado Missouri Oklahoma. - презентация

1 Radio detection of ultra-high energy neutrinos in Antarctica Dave Besson, University of Kansas Kansas Nebraska Colorado Missouri Oklahoma

2 нейтрино расследование в Антарктике средства регистрация излучение черенкова в диапазонe радио 2 образцы: RICE-``Radio Ice Cherenkov Experiment (расположенно Южном полюсе, глубина m, 1995-) ANITA-``Antarctic Impulsive Transient Apparatus (воздушный шар 38 km над материк, прототип 2004; главный полёт 12/2006)

3 Cosmic Ray spectrum Atmospheric neutrinos Extragalactic flux sets scale for many accelerator models конечная цель: соединиться спектра Заряженный,, и нейтрины измеренно на земле UHECRs

4 сущность задач: –расстояние между столкновениамы (E>10 20 eV) ограниченно иээа взаимодействие с CMB (photoproduction): – p CMB p (ГЗК) –средняя длина свободного пробега ~ 10 Mpc ощушителност к процессамы в последний 30 M г! –B нижний энергий ( eV), реакциы как p CMB pe + e - истощается протонны –подобный ограничение для регистрация гамма ( CMB e + e - ) решение: нейтрино астрономия –слабая взаимодействие 40 Gpc m.f.p. Лдя Z-burst! –однако, c.в. + незначительный ZeV (1/km 2 /century) вынуждается громадный нейтрино мишень ( km 3 ) общепринятый подход: PMTs (AMANDA, Baikal, Antares, IceCube, Nestor, NEMO, SuperK): длина поглощение/рассеяние приближённо 40 m. радио длина поглощение в лёд 2 km (измерение 2004); акустический затухание оценивано: 10 km!! (SPATS 2006) c радиоприёмникы, измерит радио диапазона (в противоположность оптический черенкова излучение ) : Radio Ice Cerenkov Experiment

5 Байкал! превосходный реконструкция мюон от N N

6 Baikal длина поглощение/рассеяние

7 эффективный объём (каскады) и эффективный площадь (muons)

8 РАДИО-НЕЙТРИНО ДЕТЕКТОРЫ первый экспериментальный шаг – INR (Восток) L atten ~2 km (500 MHz) ( ); Тоже измереннo радио щум и фон – обе приемлемый

9 измерение прозрачность лда (январь 2004, South Pole)

10

11 радио эхо обнаруживаемый сквозь 5.6 km. Лда! Bedrock/2850m Barwick, Besson, Gorham, Saltzberg, J. Glac. 2005

12

13 РАДИО КОГЕРЕНЦ (АСКАРЯН, 1961, 1962): Выгодно измерить ливень в диапазоне радио e +N -> e - + X UHE e- вызывается электромагнитный каскад (bremsstrahlung, pair production, Compton, Bhabha, Moller, photoelectric effect…) избыток отрицательный заряженные частиц развивается (например, из-за e+ потер) каждый частиц является источником черенкова излучение…

14 В коротких волнах, получено сигнал= не когерентная сумма всех волнах В длинные волны (>R moliere ), получено сигнал = когерентная сумма всех волнах R moliere ~10 cm

15 E( ) – Provorov/Butkevich (INR) vs. ZHS vs. AVZ

16 пучок электронов в SLAC - прямой наблюдение A. действие (~2GHz) Measured pulse field strengths follow shower profile very closely Charge excess also closely correlated to shower profile (EGS simulation) Sub-ns pulse, Ep-p~ 200 V/m! моделирующее 2GHz data

17 Is it coherent Cherenkov radiation? Yes! Observed: 100% linearly polarized pulses Plane of polarization exactly aligned with plane of S and U Reflection from side wall 2.2 GHz data: 100% polarized In proper plane Cherenkov radiation predictions: 100% linearly polarized plane of polarization aligned with plane containing Poynting vector S and particle/cascade velocity U U S E измерение плоскость поляризация

18 Coherence and absolute field strength No departures from coherence field strength ~ N ~ shower energy tested over a factor of ~20 in energy Frequency dependence also as expected for coherent Cherenkov: E ~ d up to ~2GHz 2.2 GHz all antennas Full Coherence Cherenkov curve

19 Сравнение оценкы эффективный объём: радио / оптический

20 17 радиоприёмникы (400 MHz) 12 cm

21 RICE-AMANDA-SPASE (South Pole) RICE SPASE

22 RICE: 17 радиоприёмник – MHz Receivers (Rx) Черенков конус

23 радиопередатчик регистрация и калибровка известный Tx глубина Точкы=вычисле нный глубина разрешение ухудшается с расстояню

24 симуляция угольный разрешение; dE/E~1

25 RICE эффективный объём (каскады)

26 первый событие (Feb 11, 1999) Rx близко поверхность глубокий канал источникы=щум от поверхность

27 Z-burst

28 ANITA ANITA concept: наблюдение лёд с шара - эффективный объём~10 3 km 3 -sr

29 ANITA эксперимент Декабр, 2006: запускать воздушный шар над Антарктикой - летит высоте 38 км, 15-дней чувствительный элементы (детекторы=радио антенны) пристально разглядывать в поверхность в поиск радио-волны в результате столкновение (коллизия) космические лучи (нейтрино) c лдом. (лёд = мишень для частиц)

30 + BOCTOK полёт шар: (38 км – 2 gm/cm 2 / 15-дней)

31 Вешание испытание (Fort Sumner, New Mexico, USA); испытание с пучком (SLAC: june 26-july 3)/лёдная мишень запуск : 1 dec. 2006

32 испытательный пуск ( )

33 После выпуска

34 В будущем… Ещё нужно 100 увеличение эффективный-объём-живая-время русская станция Восток предпочтительный Южному полусу: –25% глубже лёд (больше мишень) –Холоднее прозрачнее! –Меньще антропогенический шум проект сеичас приготавливаеться устраивать радио детектор в востоке (NSF – подержка международныи проекты) –(заинтересованный личносты можно разговаривать c мной о подробностах)

35 заключительный замечание: способ радио (и акустические) представлает возможность измерение нейтрино, монополы, редкий экзотический частиц, а больше всево представляет прыжок в неизвестност…

36 акустический регистрация нейтрино

37 ITEP Moscow I V.I. Albul et al. Instr. and Exp. Techn. 44 (2001)327 beam: ITEP Moskau 125MeV, 200 MeV p target : H 2 O detector: hydrophone Amplitude Proton beam Time [mks] E thr eV P [dyn] = 2.3* E b 0.78 [eV] P Proton beam measurements Acoustic signal simulation Acoustic Detection of Ultra-High Energy Neutrinos a -2004, June 18, 2004 Rolf Nahnhauer – DESY Zeuthen 25

38 An example of detected sound (hydrophones H1- H4,G7,G8) Acoustic noise from Baikal water /rad sin 3 clusters = 90º surface noise = 0º ??? = -10º ??? noise channeling below ice due to temperature gradient ? time/msec EAS ITEP Moscow II piezo: -180 dB Sensitive hydrophone manufacturing Experiments at Lake Baikal a a -2004, June 18, 2004 Rolf Nahnhauer – DESY Zeuthen 26

39

40 GZK событие / гибрид детектор (c. 2011)

41 Сигналы нет оценивать пределы (сплошной) на моделы (пунктирная) GZK nu models распространённый GRB поток Waxman-Bahcall метод расчёт нейтрино поток от GRBs