Книги, научные публикации
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В. Скобельцына
На правах рукописи
Плотников Андрей Борисович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ НЕЙТРИНО ПРИ ПОМОЩИ ГЛУБОКОВОДНОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА ПРОЕКТА NEMO 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва-2006 1
Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета, в ОЭПВАЯ Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В.
Скобельцына Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова и Национальном Институте Ядерной Физики, отделение г. Генуи, Италия (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Ge.) Научные руководители: доктор физико-математических наук профессор Черняев Александр Петрович (физический факультет МГУ) Senior staff scientist Marco Anghinolfi (INFN. Ge. It)
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Гладилин Леонид Константинович (ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ) доктор физико-математических наук Ростовцев Андрей Африканович (ИТЭФ ГН - РФ)
Ведущая организация: Объединенный Институт Ядерных Исследований, Лаборатория Ядерных Проблем, Дубна.
Защита состоится л 8 июня 2006 г. в _15 час. на заседании Диссертационного совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ им. Д.В. Скобельцына, 19к., в аудитории _215.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ Автореферат разослан л 6 мая 2006г.
Ученый секретарь Диссертационного совета К 501.001. кандидат физико-математических наук О.В. Чуманова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы С момента теоретического предсказания В.Паули нейтрино в 1930 году и первого удавшегося эксперимента по регистрации этой частицы Ф. Рейнсом и К. Коуэном в 1957 году перед физикой элементарных частиц стоит проблема эффективной регистрации нейтрино.
Нейтрино - электрически нейтральная частица со спином 1/2. Нейтрино несут лептонный заряд и разделяются на три типа: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вопрос о массе нейтрино остается открытым: на данный момент измерены лишь верхние пределы масс для трех типов нейтрино. Нейтрино участвуют только в реакциях слабого взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом очень мало и зависит от энергии нейтрино. Благодаря своему малому сечению взаимодействия, нейтрино выделяются из других элементарных частиц как уникальный носитель информации. Потоки нейтрино, рожденные во вспышках сверхновых, аккреции черных дыр, квазарах и активных ядрах галактик, несут информацию об этих астрономических феноменах. Малое сечение взаимодействия с веществом также создает значительные трудности при регистрации. Тем самым вопрос создания детекторов нейтрино высоких энергий, способных регистрировать большее количество событий, актуален для развития нейтринной физики и астрофизики.
На данный момент с нейтрино связано множество проблем теоретической, ядерной физики и астрофизики: 1) измерение массы нейтрино;
2) роль нейтрино в скрытой массе Вселенной;
3) поиск параметров осцилляций нейтрино, углов смешивания и разниц квадратов масс;
4) поиск суперсимметричных партнеров нейтрино;
5) исследование астрофизических объектов и явлений при помощи потоков нейтрино и другие. Некоторые из этих проблем, такие как осцилляции нейтрино, поиск темной материи, астрономические наблюдения, могут быть решены при помощи нейтринных телескопов.
Для наблюдения за астрономическими объектами и явлениями необходим носитель информации - частица, анализ потоков которой давал бы возможность определить положение объекта и его свойства.
Фотоны видимого спектра и -кванты подвержены рассеянию и преломлению в атмосфере Земли. В случае орбитальных телескопов, информация, полученная при регистрации потоков фотонов и -квантов, может быть искажена поглощением и преломлением в облаках газа и других астрономических объектах. Например, исследование звезд при помощи потоков фотонов может дать информацию лишь о состоянии фотосферы.
Проблемы исследования потоков космических частиц высоких энергий, в основном протонов, альфа-частиц, сопряжено с большим сечением взаимодействия с веществом космических тел. Протоны подвержены воздействию электромагнитных сил. Магнитные поля астрономических объектов могут значительно изменить траекторию протона и внести ошибку в астрономические наблюдения.
Свойства нейтрино позволяют преодолевать большие расстояния, практически не взаимодействуя с веществом во Вселенной. Потоки нейтрино несут неискаженную информацию о положении и свойствах своего источника.
Задачи нейтринных телескопов сводятся к детектированию потоков нейтрино с энергиями от 10 ГэВ и выше. В настоящее время нейтринные телескопы, основанные на регистрации черенковского излучения от мюона, рожденного нейтрино, обладают наибольшими эффективными объемами по сравнению с другими типами детекторов. Тем не менее, количество зарегистрированных нейтрино исчисляется несколькими сотнями в год.
Поставленная задача заключается в необходимости повышения эффективности регистрации потоков нейтрино. Повышение статистики в нейтринных экспериментах позволит с большей точностью определить параметры осцилляций, увеличить чувствительность к потокам нейтрино, излучаемым астрономическими объектами, существенно уменьшить время проведения таких экспериментов.
Поэтому актуальной проблемой при конструировании нейтринных детекторов является увеличение эффективного объема. Добиться этого можно двумя способами: увеличивая физический объем детектора, число детектирующих элементов (фотоэлектронных умножителей) или совершенствуя регистрирующую аппаратуру и применяя новые методы регистрации нейтрино. Оба способа применяются при создании глубоководного нейтринного телескопа NEMO, которому посвящена настоящая работа.
Целью работы является исследование методов повышения эффективности строящегося глубоководного нейтринного телескопа NEMO, при использовании новой конструкции оптического модуля и разработки гидрофона для акустической регистрации нейтрино.
Научная новизна работы 1. Проведено численное моделирование принципиально новой конструкции оптического модуля для глубоководного нейтринного телескопа NEMO. В отличие от конструкции оптического модуля, используемой в существующих на данный момент и проектируемых детекторах, исследованный оптический модуль позволяет определить направление зарегистрированного черенковского излучения.
2. Проведено изменение алгоритма программного обеспечения, разработанного для проекта ANTARES, с целью моделирования детектора и восстановления трека, что позволило численно смоделировать детектор проекта NEMO. Результаты моделирования показали целесообразность применения разработанного оптического модуля при создании глубоководного нейтринного детектора.
3. Создан и протестирован прототип гидрофона, с помощью которого планируется регистрировать акустический сигнал от адронного ливня, распространяющегося после взаимодействия нейтрино с веществом.
Достоверность научных результатов и выводов обеспечена независимой проверкой с использованием различных программ и методов в Национальном Институте Ядерной Физики Италии. Результаты исследований, полученные с использованием сертифицированного и апробированного пакета программ проекта ANTARES, подтверждены результатами тестирования созданного прототипа оптического модуля.
Действующая модель разработанного гидрофона прошла стендовые испытания.
Практическая и научная ценность работы заключается в следующем:
1. Продемонстрированы преимущества нового оптического модуля, применение которого позволяет повысить эффективный объем глубоководного нейтринного телескопа от 30% для энергий нейтрино до - 500 ГэВ до 200% для энергий выше 1 ТэВ, относительно аналогичного детектора, в котором применен стандартный оптический модуль.
2. Адаптация основного пакета программ моделирования глубоководного нейтринного телескопа позволяет проводить исследования для потоков нейтрино с энергиями от 5 до 500 ГэВ в отличие от ранее используемого интервала энергий - 1 ТэВ - 1 ПэВ.
3. Разработанный гидрофон с использованием оптического волокна позволит повысить чувствительность к акустическим сигналам с частотой кГц в воде.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ численного моделирования и алгоритм восстановления треков для разработанного оптического модуля.
2. Результаты численного моделирования оптического модуля для глубоководного нейтринного телескопа, позволяющего определить направление зарегистрированного черенковского излучения.
3. Методика создания гидрофона с использованием оптического волокна для регистрации акустических сигналов от адронных ливней, инициированных взаимодействием нейтрино с веществом.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на конференциях коллаборации NEMO, г. Генуя, май 2004, г. Катания, ноябрь 2004;
на научных семинарах НИИЯФ МГУ, на Ломоносовских чтениях в 2005;
материалы диссертационной работы используются в рамках спецкурса кафедры физики ускорителей высоких энергий Взаимодействие излучения с веществом.
Публикации. По теме кандидатской диссертации опубликовано научных работ, в том числе 2 опубликованных тезиса докладов на конференциях, 2 статьи в журнале Вестник Московского университета, сек.
Физика и Астрономия, 1 статья в журнале Very Large Volume neutrino Telescoupe, INFN, 1 препринт НИИЯФ МГУ.
ичный вклад автора. В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных автором в Национальном Институте Ядерной Физики, (INFN отделение г. Генуя, Италия), в рамках договора о сотрудничестве между INFN и НИИЯФ МГУ, и Научно-исследовательском институте ядерной физики (НИИЯФ МГУ). Численное моделирование новой конструкции оптического модуля проходило при непосредственном участии автора. Адаптация программ, изменение алгоритмов восстановления треков и моделирование глубоководного нейтринного телескопа были проведены автором лично. Создание и тестирование действующего гидрофона проходили при непосредственном участии автора.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа содержит страниц, 5 таблиц и 90 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении описывается задача и цель работы, показывается ее актуальность и практическая значимость для увеличения эффективности регистрации нейтрино глубоководным нейтринным телескопом.
В первой главе обсуждаются свойства элементарной частицы - нейтрино, источники потоков нейтрино, взаимодействие нейтрино с веществом. Принципы и методы регистрации нейтрино.
Нейтрино несет лептонный заряд, то есть может быть трех типов:
электронным, мюонным и тау-нейтрино. Частица участвует в слабом взаимодействии. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом мало по сравнению с известными элементарными частицами и при низких энергиях может достигать значений 10-43 см2. С течением времени тип нейтрино меняется по гармоническому закону: нейтрино из электронного, к примеру, может превращаться в мюонное или тау-нейтрино. Эти изменения описываются теорией осцилляций.
Солнце самый изученный на данный момент естественный астрономический источник нейтрино. Помимо звезд, источниками нейтрино являются вспышки сверхновых, где ускоренные фронтом ударной волны частицы, в частности, протоны, рождают нейтрино высоких энергий.
Источниками нейтрино являются так же: квазары, активные ядра галактик, гамма-вспышки и другие астрономические объекты.
Кроме космических нейтрино существуют нейтрино, рожденные в атмосфере земли космическими частицами с энергиями до 1020 эВ.
Космические частицы, в основном протоны, при взаимодействии с атмосферой рождают пи-мезоны, которые в свою очередь рождают поток нейтрино.
+ + + K+ e+ +e + - + K- e- +e + Величина потока и спектр атмосферных нейтрино достаточно изучены, чтобы учитывать его при наблюдении за астрономическими объектами.
Помимо этого, потоки нейтрино могут быть сформированы искусственным способом: с применением ядерных реакторов или ускорителей элементарных частиц, в, так называемых, мезонных фабриках.
Также существует способ получения потоков электронных нейтрино на пучках.
При взаимодействии нейтрино с веществом образуются соответствующие лептоны, вследствие закона сохранения лептонного заряда.
В реакциях нейтрино с нуклонами ядер атомов вещества рождаются электроны, мюоны и тау-лептоны:
e + n p + e e + p n + e+ + n p + + p n + + + n p + + + p n + После предположения Паули о существовании частицы нейтрино до экспериментального его обнаружения прошло несколько десятков лет.
Первый эксперимент был основан на реакции обратной -распаду:
~ + p n + e+.
После него получили развитие химические детекторы прямого счета.
Принцип действия таких детекторов заключался в том, что атомы материала детектора при взаимодействии с веществом превращались в радиоактивные изотопы, которые после экспозиции можно извлечь и определить их количество.
Другой тип детекторов основан на регистрации эффектов, возникающих при взаимодействии нейтрино с веществом, таких, как адронные и электронные ливни, черенковское излучение от рожденных нейтрино лептонов, акустические сигналы, возникающие на границе области выделения энергии.
Одно из перспективных направлений развития нейтринных детекторов, является конструирование детекторов черенковского излучения больших (до 1 км3) объемов.
Детекторы нейтрино призваны решать большой спектр задач ядерной физики и астрофизики. Одно из направлений научных исследований с применением глубоководного нейтринного телескопа NEMO - измерение параметров осцилляций нейтрино.
Помимо этого, одной из важных задач является поиск темной материи - небарионной материи, которую невозможно зарегистрировать прямыми экспериментами.
Во второй главе подробно описывается конструкция глубоководного нейтринного телескопа NEMO.
Принцип действия глубоководного нейтринного телескопа заключается в регистрации черенковского излучения. При взаимодействии мюонного нейтрино высокой энергии с веществом образуется мюон, который двигается в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Частица, движущаяся со скоростью, превышающей групповую скорость света в среде, будет испускать черенковское излучение.
Характеристики излучения хорошо изучены. Для регистрации мюонов высоких энергий необходим большой объем детектора. На роль вещества детектора наилучшим образом подходит вода, благодаря ее оптическим и химическим свойствам, а также доступностью. Черенковское излучение в воде распространяется под углом 420 от трека проходящего мюона.
Зарегистрировав черенковское излучение в нескольких точках объема, основываясь на амплитуде и времени сигналов, можно, с той или иной точностью, восстановить трек мюона.
стеклянная сфера, фотоэлектронны R = 680 мм й умножитель толщина 65 мм D = 24.5 см оптический гель каркас сетка крепления магнитного экранирования электропитание темное контактный покрытие кабель Рис 1. Схема стандартного оптического модуля.
Основной характеристикой детектора является эффективный объем, который зависит от многих параметров. Эффективный объем зависит от физического объема детектора, эффективной площади фотоумножителей и их взаимного расположения.
Основной конструкционной единицей детектора является оптический модуль, включающий в себя чувствительный элемент (фотоумножитель) и электронику, обрабатывающую и предающую сигнал (Рис. 1).
Для повышения эффективности регистрации и восстановления трека предложен новый тип оптического модуля, содержащий четыре фотоумножителя. Это позволит определить не только амплитуду и время сигнала, но и направление пришедшего сигнала. Таким образом, возможно точнее восстанавливать трек и в несколько раз уменьшить уровень шума, поставив триггер на антисовпадения сигналов, пришедших с различных сторон одного оптического модуля. (Рис. 2.) Рис 2. Группа из четырех фото умножителей разрабатываемого ОМ.
Применение нового оптического модуля повысит эффективный объем детектора, без увеличения физического объема.
Далее рассмотрены принципы работы программного обеспечения и алгоритма восстановления трека мюона по координатам, амплитуде и времени регистрации зарегистрированных сигналов.
Алгоритм восстановления треков был разработан для проекта ANTARES для нейтрино с энергиями выше 100 ТэВ, в связи с чем, алгоритм был кардинальным образом переделан для энергий порядка 1 ТэВ.
Моделирование нового типа оптического модуля привело к необходимости существенных изменений в программе моделирования и алгоритме реконструкции. Также к необходимости изменить модельные параметры фотоумножителя, используемые в программе моделирования черенковского детектора, функцию вероятности регистрации фотона черенковского излучения в зависимости от угла между направлением фотона и осью фотоумножителя, матрицу вероятных расстояний между точкой трека и оптического модуля в зависимости от амплитуды сигнала.
Моделирование проводилось для различных конфигураций детектора с целью выбора оптимального расположения оптических модулей в объеме детектора. Расчеты и компьютерное моделирование показало, что эффективный объем детектора имеет сложную зависимость от его физических размеров и взаимного расположения оптических модулей.
Основным результатом численного моделирования является сравнение эффективного объема детектора со стандартными оптическими модулями и с разработанными оптическими модулями. Численное моделирование показало, что при одинаковой конфигурации детектора (положение оптических модулей в пространстве) эффективный объем у детектора, в котором применены новые оптические модули, превышает эффективный объем детектора со стандартными оптическими модулями (Рис. 3).
На рис. 3 представлены гистограммы эффективного объема в зависимости от энергии нейтрино. Жирная сплошная линия обозначает эффективный объем детектора с новыми оптическими модулями, тонкая сплошная линия - со стандартными оптическими модулями.
В интервале энергий нейтрино от 50 до 500 ГэВ эффективный объем детектора с новыми оптическими модулями превышает эффективный объем детектора со стандартными оптическими модулями в 2- 3 раза. Это связано с тем, что новый оптический модуль регистрирует больше сигналов, и детектор с такими оптическими модулями имеет большую плотность фотоэлектронных умножителей на единицу объема рабочего вещества детектора.
В интервале энергий нейтрино от 500 ГэВ до 5 ТэВ эффективный объем детектора с новыми оптическими модулями превышает эффективный объем детектора со стандартными оптическими модулями на 30 - 50 %. При таких энергиях оба детектора получают достаточное количество сигналов для восстановления трека. В случае детектора с новыми оптическими модулями программа восстановления трека также использует информацию о направлении пришедшего черенковского излучения, что позволяет качественнее восстанавливать трек мюона и повысить эффективность регистрации нейтрино.
Рис 3. Эффективный объем для детекторов: тонкая линия - стандартные ОМ;
жирная линия - новые ОМ, прерывистая жирная лини на верхней гистограмме демонстрирует эффективный объем детектора с новыми ОМ без эффекта УтриггераФ Зависимость эффективного объема от энергии В третьей главе описывается разработка и методика создания действующего прототипа гидрофона для применения акустических методов eff V, м eff V, м регистрации нейтрино в рамках проекта NEMO. Также рассмотрены результаты тестирования гидрофона.
Принцип действия гидрофона основан на изменении интерференционной картины двух световых импульсов, прошедших по оптоволокну гидрофона и отраженных на зеркалах, входящих в линию оптоволокна. На рис. 4 представлена схема установки для измерения акустического сигнала.
Рис. 4. Схема установки по измерению чувствительности гидрофона: 1) лазерный источник;
2) Модулятор;
3) Высокочастотый источник;
4) Направляющий световой триггер;
5) Зеркало;
6) Гидрофон;
7) Светодиод;
8) Электроника;
9) Источник звукового сигнала.
Модулятор (2) формирует два световых импульса из постоянного сигнала, создаваемого лазерным источником (1). Временной интервал между импульсами равен двойному времени, которое затрачивает импульс на прохождение оптоволокна, намотанного на основание гидрофона (6). В линию оптоволокна входят два зеркала (5). Первое из них имеет коэффициент отражения равный 0.5, второе 1. Первый импульс, пройдя по оптоволокну гидрофона и обратно, интерферирует с подошедшим вторым импульсом. Сигнал подается на светодиод (7) и обрабатывается электроникой (8). В состоянии покоя гидрофона интерференционная картина постоянна.
Звуковая волна в воде создает область повышенного давления ~ 60 мПа.
Под действием давления деформируется упругий корпус гидрофона и изменяется длина оптического волокна. Для используемого в данной работе оптического волокна фактор коррекции при эластическом сжатии растяжении выражается формулой:
= 1- n2P12 0.71, где P12 коэффициент деформации, для кварца P12 = 0.27 (вещество из которого изготовлен световод). Используя относительное изменение длины = dL L, имеем:
d =, или 2nL d =, откуда получаем, что сдвиг фаз прямо пропорционален длине оптического волокна.
Таким образом, по изменению интерференционной картины можно судить об интенсивности сигнала.
На базе Национального Института Ядерной Физики, Италия, был разработан и сконструирован прототип гидрофона. На основании результатов тестирования гидрофона получена зависимость чувствительности гидрофона n 0 2000 4000 6000 8000 10000 frequency, Hz Частота, гц Рис. 5. Зависимость чувствительности разработанного гидрофона от частоты звукового сигнала.
в зависимости от частоты сигнала в области от 1 до 12 кГц (рис. 5).
amplitude, dB Амплитуда, Дб В четвертой главе рассмотрены результаты моделирования, приведены расчеты, показывающие эффективность применения глубоководного нейтринного телескопа NEMO для различных задач физики и астрофизики.
Численное моделирование глубоководных нейтринных телескопов NEMO и ANTARES показало, что при одинаковом физическом объеме и одинаковом числе ОМ в детекторах эффективный объем детектора NEMO превышает эффективный объем детектора ANTARES в два раза.
Приведены расчеты чувствительности детектора к горизонтальным пучкам нейтрино искусственного происхождения. Такие пучки предполагается создавать на SPS CERN для изучения осцилляций нейтрино.
Так же приведено сравнение предполагаемой точности эксперимента по определению параметров осцилляции в случае проекта NEMO и эксперимента SuperKamiokaNDE.
Описана разработанная технология создания гидрофона, принцип работы которого основан на изменении интерференционной картины сигналов, прошедших по оптоволокну, намотанному на гидрофон.
Рассмотрены результаты тестирования созданного оптоволоконного гидрофона.
Выводы 1. Смоделирован оптический модуль новой конструкции для нейтринного детектора проекта NEMO. В программе моделирования учтены особенности нового оптического модуля, содержащего 4 фотоэлектронных умножителя вместо одного в стандартном оптическом модуле. Также учтены свойства самих фотоэлектронных умножителей.
2. Изменен алгоритм программ моделирования глубоководного нейтринного детектора, разработанных для проекта ANTARES. Измененный пакет программ позволяет моделировать детектор NEMO с учетом поставленных задач.
3. Проведено численное моделирование детектора NEMO с новыми оптическими модулями. Результаты моделирования показали, что применение оптического модуля, чувствительного к направлению пришедшего черенковского излучения, значительно увеличивает эффективность регистрации нейтрино.
4. Разработана технология создания оптоволоконного гидрофона.
Сконструирован и протестирован прототип гидрофона. Испытания гидрофона показали удовлетворительную чувствительность гидрофона к звуковым сигналам, частота которых близка к частотам сигнала от адронного ливня в воде, развивающегося при взаимодействии нейтрино с веществом.
Список литературы.
1. А.Б. Плотников. Investigation of anew OM configuration for an undersea neutrino telescope. Тезисы докладов совещания группы NEMO. INFN, Генуя, Италия, март 2004, с. 128- 2. А.Б. Плотников. Effect on muon track reconstruction of a new optical module (OM) configuration for an undersea neutrino detector. Тезисы докладов совещания группы NEMO. INFN, Катания, Италия, октябрь 2004, с.
64- 3. М. Ангинольфи, М.В. Осипенко, А.Б. Плотников, М. Таюти, А.П.Черняев. Оптический модуль глубоководного нейтринного телескопа NEMO. Препринт НИИЯФ МГУ - 2005 - 1/767, 2005, С. 4. М. Ангинольфи, М. В. Осипенко, А. Б. Плотников, А. П. Черняев Проектирование эксперимента по изучению осцилляций нейтрино на глубоководном нейтринном телескопе - NEMO. Вестник МГУ №5, 2005, с.
13- 5. S. Cuneo, A. Plotnikov, L. Repetto, M. Anghinolfi. A passive hydrophone for high frequency application.
VLVnT (Very Large Volume neutrino Telescoupe INFN), 2005, Catania, Italy, pp 68- 6. М. Ангинольфи, М.В. Осипенко, А.Б. Плотников, М. Таюти, А.П.Черняев. Проектирование оптического модуля для глубоководного нейтринного телескопа NEMO. Вестник МГУ №2, 2006, c. 15- Заказ № 14/05/06 Подписано в печать 04.05.2006 Тираж 70 экз. Усл. п.л. ООО Цифровичок, тел. (495) 797-75-76;
(495) 778-22- www.cfr.ru;
e-mail: info@cfr.ru
Книги, научные публикации