PODSŁUCHIWANIE NEUTRIN

PODSŁUCHIWANIE NEUTRIN
G. Polok
Produkcja neutrin
Wysoko energetyczne neutrina produkowane są w oddziaływaniach hadronowych. Protony
zderzają się z tarczą typu chmura gazu lub z wysokoenergetycznymi fotonami i produkują piony:
p + p → Δ+ + p → p + n + π+
p + p → X + π+
n + p → Δ0 + p →p + p + πDla protonów o energii większej niż 1020 eV następuje oddziaływanie z CMB (Cosmic Microvawe
Background) i produkcja pionów :
p + γ → Δ+ → n + π+
Naładowane piony rozpadają się na miony i neutrina a miony w elektrony i neutrina z wydajnością
prawie 100%
π+ → μ+ + νμ → e+ + νe + νμ + νμ
π- → μ- + νμ → e- + νe + νμ + νμ
Stosunki produkowanych neutrin ( νe : νμ : ντ ) = (1:2:0) ale z uwagi na oscylacje przy dużych
odległościach te stosunki zmieniają się na (1:1:1)
Wysokoenergetyczne protony produkują także kaony, rozpadające się na piony (28%) lub wprost
na miony i neutrina (63%
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
2
Źródła neutrin
Neutrina atmosferyczne:
-
Promieniowanie kosmiczne oddziaływuje z atmosferą ziemską produkując
kaskady składające się z części elektromagnetycznej , hadronowej i
mionowej. Część elektromagnetyczna produkuje naładowane leptony i
fotony podczas gdy hadronowa część składa się głownie z pionów i kaonów
Galaktyczne źródła neutrin:
Supernowa –
Eksplozja masywnej gwiazdy – powstają neutrina (~MeV) w tzw. odwrotnym
rozpadzie beta i są przyspieszane zgodnie z akceleracją pierwszego
rodzaju Fermiego.
Pulsary –
szybko rotujące gwiazdy neutronowe. Jeżeli oś rotacji i oś pulsara nie są
równoległe to produkowane są dwa dżety wzdłuż osi pola magnetycznego i
tam cząstki są przyspieszane zgodnie z mechanizmem opisanym przez
Fermiego (tzn. chmura gazowa jest przyspieszana i wzrost energii jest
proporcjonalny do β2).
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
3
Mikro kwazary:
Źródła neutrin
- są to binarne systemy gwiazd neutronowych lub czarnej dziury i gwiazdy.
Protony są przyspieszane w pobliżu takich systemów i w materii gwiazdy
mogą produkować neutrina.
Płaszczyzna galaktyki:
- Wysokoenergetyczne protony oddziaływują z materią w płaszczyźnie
galaktyki i produkują neutrina przez rozpady pionów
Czarna materia i efekty topologiczne:
- ich rozpady, oddziaływania czy też anihilacja może prowadzić do produkcji
neutrin
Źródła pozagalaktyczne:
- Jądra aktywnych galaktyk (AGN) są obszarami gdzie super ciężka czarna
dziura rozpędza cała galaktykę. Protony przelatujące w pobliżu mogą
oddziaływać z otaczającą materią i produkować neutrina
- Błyski fotonowe (Gamma Ray Burst –GMB), których pochodzenie nadal jest
nieznane. Obecne wyjaśnienia mówią o grawitacyjnej zapaści czy też
zderzeniu masywnych gwiazd , czarnych dziur czy gwiazd neutronowych.
Mechanizm jak w AGN.
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
4
Wykrywanie neutrin
Neutrino oddziaływuje poprzez mechanizm słabego
oddziaływania . W przypadku prądów neutralnych
powstaje w wyniku zderzenia neutrina z jadrem N
kaskada X:
νl + N → νl + X
dla prądów naładowanych powstaje lepton i kaskada:
νl + N → l + X
Jeżeli ograniczymy nasze zainteresowanie do ultra
wysokoenergetycznych neutrin (> 1015 eV) to istnieją
tylko dwie metody wykrywania : radiowa i akustyczna
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
5
Wysokoenergetyczne neutrina a materia
1957r. G.A. Askaryan wyjaśnił generowanie elektromagnetycznych i
akustycznych sygnałów przy przechodzeniu neutrin przez niektóre
materiały takie jak woda , lód czy pokłady soli.
W przypadku indukowania kaskady następuje przesunięcie ładunku
(polaryzacja) w kaskadzie a to generuje fale radiowe, które mogą być
zarejestrowane.
Drugim mechanizmem , który towarzyszy przejściu UHE neutrin (1020 eV) to
powstanie impulsu akustycznego (fali akustycznej). Wynika to z kilku
faktów :
1.
Tworzona wysokoenergetyczna kaskada zabiera neutrinu 25% energii
czyli dość sporo
2.
Następuje kwazi-ciągły depozyt energii w małej objętości medium o
cylindrycznym kształcie długości kilkunastu metrów i średnicy kilkunastu
centymetrów. Prowadzi to do ogrzania medium a więc i jego ekspansji
czemu towarzyszy fala akustyczna w kierunku prostopadłym do kierunku
poruszania się neutrina
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
6
Wysokoenergetyczne neutrina a materia
Pierwsza obserwacja akustycznych impulsów miała miejsce w Brookhaven NL w 1979r.
Wykorzystano w tym celu 200MeV wiązkę protonów rejestrując całkowity depozyt
energii w wodzie rzędu 1015 eV. Przestudiowano zależność amplitudy jako funkcję
zdeponowanej energii , temperatury oraz ciśnienia wody. Okazało się także, że
częstotliwość zależy w głównej mierze od poprzecznego rozmycia kaskady z
amplitudą w maksimum rzędu kilkudziesięciu kHz. Właśnie fala akustyczna o
takiej częstości może pokonywać bardzo duże odległości. W ostatnim czasie
wszystkie te informacje zostały potwierdzone na wiązkach protonowych w Uppsali
i ITEP w Moskwie.
Oczekuje się, że neutrino 1020 eV rejestrowane w odległości 1 km wywoła ciśnienie
0.5 Pa w wodzie i 5Pa w lodzie.
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
7
Eksperymenty testujące metodę akustyczną
SPATS – South Pole Acoustic Test Setup
Korzysta ze współpracy z projektem IceCube i wykorzystuje wykonane
wiercenia w lodzie do instalacji własnej aparatury akustycznej
SAUND – Study of Acoustic Ultra High Neutrino Detection
Wykorzystuje system AUTEC marynarki wojennej . Przeprowadzili
badania za pomocą 56 hydrophonow na powierzchni 1000km2 na
głębokości 1500m
Baikal – badania są przeprowadzane w jeziorze Bajkał
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
8
Eksperymenty testujące metodę akustyczną
ACORNE – Acoustic Cosmic Ray Neutrino Eksperyment
Przeprowadzają eksperymenty na głębokości 250m u zachodnio –
północnych wybrzeży Szkocji w oparciu o 8 hydrophonów i ciągłe
dwutygodniowe pomiary
AMADEUS – ANTARES Modules for Acoustic Detection Under the SEA
Testują kilkadziesiąt hydrophonów zawieszonych w postaci dwóch
łańcuchów. Są to mikrofony komercyjne oraz wykonane przez zespół
eksperymentu .
ONDE – eksperyment współpracy NEMO ( w pobliżu Sycylii)
Pracują w oparciu o cztery hydrophony w kształcie piramid z bardzo
tanią elektroniką i próbkują dane o częstotliwości 96kHz
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
9
Co testują eksperymenty
Hydrophon – sensor akustyczny dla wody
Są to piezo - elektryczne materiały ceramiczne dostępne zarówno
komercyjnie jak i możliwe do wykonania we własnym zakresie
Każdy musi posiadać krzywą kalibracji w funkcji głębokości zanurzenia co
nie jest standardem dla sensorów komercyjnych. Stąd wynika potrzeba
przeprowadzenia pomiarów zależności wielkości sygnału od ciśnienia
Glaciophon – sensor akustyczny dla lodu
Bardzo podobny do w/w ale oczywiście posiadający dla lodu zupełnie
inną charakterystykę
Dla niskich ciśnień zmierzona czułość jest bardzo obiecująca
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
10
SPATS - 2011
South Pole Acoustic Test Setup jest projektem eksperymentu mającym zamiar
poszukiwać super wysokoenergetycznych neutrin tj E > 1017 eV
Neutrina o takiej energii nie są produkowane w ziemskiej stratosferze a więc
nie trzeba się odcinać od tła schodząc na głębokość 2500 -3000m
(IceCube, Antares) z detektorami gdzie jest nadzieja zarejestrowania
neutrin o energii >1013 eV
Celem eksperymentu SPATS jest znalezienie miejsca we wszechświecie skąd
do nas dolatują te astrocząstki. Z dotychczasowych symulacji wynika, że w
ciągu roku ziemskiego przez objętość zawartą w 100km3 lodu może
przechodzić i zostać zarejestrowanych około 20 takich neutrin. Taki ma być
docelowo rozmiar detektora SPATS
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
11
Detektor SPATS
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
12
Obecne cele eksperymentu
-Pomiar atenuacji, absorbcji irozpraszania
-Pomiar prędkości dźwięku
-Pomiar poziomu tła i energii progowej
-Pomiar poziomu tła przypadków
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
13
South Pole Acoustic Test Setup
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
14
Rozmieszczenie dla testów
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
15
Rejestrator
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
16
Pomiar atenuacji akustycznej 2009r
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
17
Czas zaniku zakłóceń spowodowanych
wierceniem w lodzie
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
18
Pomiar atenuacji akustycznej 2011r
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
19
Zależność możliwości detekcji neutrin od objętości
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
20
Wnioski
W trakcie dwu letnich pomiarów wszystkie krytyczne parametry akustycznych
neutrin zostały zmierzone (tłumienie, prędkość sygnału na różnych
głębokościach itp.)
Strumień neutrin dla obecnej wersji detektora SPATS został wyliczony
Pomiary kalibracyjne pozwoliły na porównanie wyników laboratoryjnych ( w
ograniczonych objętościach) lodu i czułości lodu.
Co pozostało do zrobienia
Trzeba poprawić triger bazujący na koincydencjach z łańcuchów
Wyeliminować szum a także przebadać czułość metody
Należy przetestować następną generację akustycznych sensorów
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
21
Projekt ARA
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
22
Projekt Ara
37 stacji pomiarowych
111 (148) dziur w lodzie
Głębokość wierceń 200-250m
Wiercenia w lodzie do
wielokrotnego wykorzystania
Urządzenia akustyczne
względnie tanie
Wszystkie parametry akustyczne znane
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
23
Projekt Arianna
Dodać sensory akustyczne od 200 do 400 m głebokości
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
24
Rozważane lokalizacje
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
25
Wygląd bazy
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
26
Urządzenie do wiercenia w lodzie (mól)
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
27
Zestaw wiertniczy
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
28
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
29
Dziękuję
G.Polok Podsłuchiwanie neutrin
22.03.2012
30