Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор 10
1.1 Свойства и источники элементарной частицы нейтрино 10
1.2 Методы регистрации нейтрино 26
1.3 Примеры применения нейтринных телескопов 47
Глава 2 Разработка и моделирование оптического модуля для нейтринного детектора NEMO 52
2.1 Устройство детектора NEMO, оптический модуль 52
2.1.1 Особенности конструкции глубоководного нейтринного детектора, свойства рабочего вещества 52
2.1.2 Характеристики детектора 60
2.1.3 Разработанный оптический модуль для измерения интенсивности и определения направления черенковского излучения для глубоководного нейтринного детектора NEMO 65
2.1.4 Конфигурация детектора NEMO 68
2.2 Численное моделирование детектора NEMO 70
2.2.1 Пакет программ для моделирования глубоководного нейтринного детектора и восстановления событий по данным полученным на выходе детектора 71
2.2.2 Модифицирование пакета программ моделирования и реконструкции для задач проекта NEMO 80
2.2.3 Численное моделирование и расчет эффективного объема детектора NEMO 88
2.2.4 Сравнение детектора со структурой ячейки 40X40 91
Глава 3. Разработка, конструирование и тестирование оптоволоконного гидрофона для акустического метода регистрации нейтрино в рамках проекта NEMO 99
3.1 Конструкция гидрофона 99
3.2 Создание прототипа гидрофона 104
3.3 Измерение чувствительности гидрофона 118
Глава 4. Анализ результатов численного моделирования детектора и тестирования прототипа гидрофона 130
4.1 Анализ результатов численного моделирования детектора NEMO с разработанными новыми оптическими модулями 130
4.2 Результаты тестирования разработанного и созданного гидрофона... 138
Выводы 140
Литература 141
- Свойства и источники элементарной частицы нейтрино
- Разработанный оптический модуль для измерения интенсивности и определения направления черенковского излучения для глубоководного нейтринного детектора NEMO
- Модифицирование пакета программ моделирования и реконструкции для задач проекта NEMO
- Анализ результатов численного моделирования детектора NEMO с разработанными новыми оптическими модулями
Введение к работе
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, мюонное 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, акреции черных дыр, квазарах и активных ядрах галактик несут информацию об этих астрономических феноменах. Малое сечение взаимодействия с веществом так же 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 осцилляции 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 у~кванты подвержены рассеянию и преломлению в атмосфере Земли. В случае орбитальных телескопов, информация, полученная при регистрации потоков фотонов и у-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, и решению вопросов связанных с нейтрино высоких энергий. 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.
Актуальность поставленной задачи заключается в необходимости повышения эффективности регистрации потоков нейтрино. Повышение статистики в нейтринных экспериментах позволит с большей точностью определить параметры осцилляции, 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); 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 увеличения эффективности строящегося глубоководного нейтринного телескопа NEMO, за счет улучшенной 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, для 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, распространяющегося после взаимодействия нейтрино с веществом, адронного ливня.
Достоверность научных результатов и выводов обеспечена независимой проверкой группами исследователей Национального Института Ядерной Физики отделений Болоний и Катании, с использованием различных программ и методов. 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. Предложенная конструкция оптического модуля позволяет повысить эффективный объем глубоководного нейтринного телескопа от 30 до 200% в зависимости от энергии потока нейтрино.
Примененные изменения основного пакета программ моделирования глубоководного нейтринного телескопа позволяют проводить исследования для потоков нейтрино с энергиями от 5 до 500 ГэВ, в отличие от стандартных 1 ТэВ - 1 ПэВ.
Разработанный гидрофон с применением оптического волокна позволит повысить чувствительность к акустическим сигналам с частотой 10 кГц в воде.
Свойства и источники элементарной частицы нейтрино
Наибольшая чувствительность используемых в детекторе ANTARES фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) лежит в интервале длин волн от 400 до 500 нм. Мюон испускает около 100 фотонов в этом интервале волн на 1 см длины трека. На расстоянии 40 м от трека мюона поток фотонов черенковского излучения составляет 1 на 340 см2. При этом пренебрегается эффектами рассеяния и поглощения. Площадь 340 см равна эффективной площади ФЭУ. Максимальное расстояние от источника излучения до ФЭУ, пи котором сохраняется способность регистрировать это излучение, дает эффективный объем каждого из ФЭУ. Удельная интенсивность испускаемого черенковского излучения не зависит от энергии мюона.
В 1962 г было предсказано, а два года спустя экспериментально доказано, что электромагнитный ливень сопровождается когерентным излучением радио диапазона 0.1-1 ГГц [21]. Таким образом, системой детекторов радиоволн можно зарегистрировать развитие электромагнитного ливня и его направление.
Первые исследования непосредственно радиационно-акустических эффектов относятся к 50-60-м годам. В 1955 году, например, Д. Глэзер и Д. Рам сообщили о наблюдении частиц в метастабильной вскипающей жидкости в пузырьковой камере по звуковым (вибрационным) сигналам, возникающим в результате рождения и эволюции пузырьков на треках частиц. Г. Аскарьян в 1957 году рассмотрел возбуждение ультразвуковых и гиперзвуковых волн заряженными частицами в плотных средах вследствие локальных перегревов и рождения микрополостей. В 1963 году Р. Уайт наблюдал генерацию звука пучком электронов в твердом теле. Многочисленные исследования возбуждения звука проникающим излучением были выполнены главным образом учеными СССР и США в 70-80-е годы.
Механизм возникновения акустических волн заключается в том, что в области развития электромагнитного (или адронного) ливня вещество подвергается нагреванию, и расширяется, создавая ударную волну, которая может в последствии быть зарегистрирована. Детекторы звуковых колебаний, гидрофоны, могут располагаться на большем расстоянии друг от друга, чем черенковские детекторы. Это связано с тем, что расстояние, на которое может распространяться звук с частотой 10 кГц в воде, составляет порядка нескольких километров, в то время как интенсивность черенковского излучения на расстоянии 40 метров от трека составляет лишь один фотон на регистрирующую поверхность ФЭУ (диаметром 24.5 см).
Нейтрино высоких энергий, Е 10 эВ могут взаимодействовать с веществом посредством неупругого рассеяния на нуклонах. После взаимодействия, энергия нейтрино распределяется между кварком и лептоном. В среднем лептон получает около 80% всей энергии. Оставшаяся энергия идет на развитие адронного ливня в воде (рис. 1.11), направление которого совпадает с направлением движения провзаимодействовавшего нейтрино.
Объем воды вдоль оси адронного ливня подвергается нагреванию и, соответственно, расширяется, продуцируя акустические импульсы, распространяющиеся перпендикулярно оси ливня. В случае с нейтрино обладающей энергией 1(ГэВ99% всей энергии адронного ливня заключено в объеме цилиндрической формы с радиусом 20 см, и длиной 10 м (рис. 1.12).
На рисунке 1.13 показано давление создаваемое акустической волной на расстоянии 1050 м перпендикулярно оси распространения адронного ливня. Различные кривые описывают амплитуду сигнала в зависимости от смещения точки регистрации вдоль по ходу адронного ливня. Амплитуда сигнала быстро падает с расстоянием при смещении вдоль оси адронного ливня. Как говорилось выше, акустический сигнал от адронного ливня имеет определенную геометрическую форму в пространстве.
Разработанный оптический модуль для измерения интенсивности и определения направления черенковского излучения для глубоководного нейтринного детектора NEMO
Для изучения возможностей новой конфигурации ОМ было проведено компьютерное моделирование нейтринного детектора. Пакет программ включает в себя: 1) моделирование прохождения нейтрино или мюонов через вещество. Входными параметрами являются: энергетический спектр, направление и интенсивность потока частиц, рабочее вещество детектора. Моделирование проводится с использованием метода Монте-Карло. При заданных параметрах потока нейтрино или мюонов программа случайным образом выбирает энергию и направление движения отдельной частицы. Параметрами для этого этапа являются следующие списки (tag). Список первый - Сап (гт;п[м], гтах[м], R[M]), координаты по оси z высшей и низшей точки объема цилиндрической формы, и его радиус. Список второй - Cut in (Етш[ГэВ], Етах[ГэВ], cos9min, cos0max, фтіп, Фтах), диапазон энергий, и разброс по зенитальному углу 0 и азимутальному углу ф. Задается форма энергетического спектра - Е"а. Идентификационный номер частицы по GEANT. Результатом работы программы являются сведения о треке частицы, начальная точка хо, уо, z0, во время to- Так же направляющие косинусы: 2) моделирование отклика детектора на излучение, проходящего через детектор, мюона. Входными параметрами являются: геометрия детектора, расположение ОМ в объеме детектора, характеристики ФЭУ. На данном этапе моделирования задаются следующие параметры: скорость течения воды в объеме детектора, координаты фундаментов тросов детектора, координаты оптических модулей и направления осей фотоэлектронных умножителей, описание характеристик фотоэлектронных умножителей, расположение оптических модулей и электроники. Результатом работы программы является список оптических модулей зарегистрировавших сигнал, его амплитуду и время; 3) учет характеристик шума в среде. Основной составляющей шума считается Р-распад 40К в морской воде. Измеренный уровень шума равен 40 кГц на один стандартный оптический модуль. В список сигналов от прошедшего детектор мюона добавляются сигналы с амплитудами не выше двух фотоэлектронов, равномерно распределенные по объему детектора, времени, которое заняло событие и амплитуде до 1.5 фотоэлектрона; 4) программа реконструкции треков мюонов по сигналам с ОМ детектора. Данные, полученные после шага 3) содержат информацию об оптических модулях зарегистрировавших сигнал, об амплитуде этого сигнала и времени регистрации. По этим данным производится восстановление параметров трека: начальная точка, направляющие синусы. Эта же программа применяется для восстановления треков по сигналам реального детектора [3]. Основной характеристикой детектора является его эффективный объем.
Детектор с большим эффективным объемом имеет преимущество в скорости набора статистики, таким образом, имеет большую статистическую точность по сравнению с остальными детекторами. Эффективный объем детектора Ve рассчитывался по формуле: где Nr - количество реконструированных треков мюонов, Ng - общее количество мюонов задействованых в моделировании, Vdet физический объем детектора Г43 - 451.
Для точного определения эффективного объема необходимо учесть качество ф реконструированных треков. На этапе компьютерного моделирования существует возможность сравнить начальный трек и реконструированный. Величина угла между ними определяет качество восстановления трека.
В простейшем случае вычисления эффективного объема трек считается восстановленным, если зарегистрировано более 5 сигналов на оптических модулях. Программа реконструкции ь срабатывает в случае, если количество зарегистрированных сигналов не менее 5. При увеличении количества зарегистрированных сигналов повышается качество восстановления событий. Поэтому для тестирования и первичных исследований трек считается ф восстановленным, если от прошедшего мюона зарегистрировано 5, 6 или 7 сигналов с разных фотоэлектронных умножителей.
Для моделирования глубоководного нейтринного телескопа в случае вертикальных потоков нейтрино использовались следующие параметры потока: нейтрино движутся вверх, разброс по углам 20, энергия нейтрино от 1 до 100 ГэВ. Моделирование проводилось для одной башни детектора с 12 оптическими модулями на каждом уровне. Расстояние между уровнями 30 м. Уровень представляет собой шесть лучей длинной по 8 метров каждый (рис 2.14).
Модифицирование пакета программ моделирования и реконструкции для задач проекта NEMO
На основании этих данных было рассчитано количество регистрации нейтрино ожидаемых в телескопе NEMO за год, а так же точность измерения осцилляции. Процедура расчета заключалась в следующем: 1) На основании значений потока нейтрино от источника / и сечения рассеяния нейтрино на нуклоне о, было рассчитано число взаимодействий нейтрино в 1 м вещества детектора (морской воды) за 1 год детектора; 2) из семейства кривых вероятности сохранения аромата мюонного нейтрино »/ была выбрана кривая, соответствующая значению параметров Am 23 = 0.002 эВ и sin023 = 1 (рис. 5.3). (Расчеты также проведены для значений Aw223 от 0.001 до 0.004 [эВ2] с шагом 0.0005, эти значения покрывают область возможных значений параметра Аш22з оцененную экспериментом Super-KamiokaNDE); 3) на основании значения вероятности выживания, получено число взаимодействий нейтрино в 1 м3 объема детектора за год с учетом осцилляции, Ndet = Nf - PVft, т. е. ослабление потока нейтрино одного аромата за счет перехода в другой; 4) мюонные нейтрино в объеме детектора рождают мюоны с приблизительно равномерным энергетическим спектром от 0 до Етах = Ev, где получены на основе расчетов и копьютерного моделирования Ev - энергия нейтрино. На основании этих данных был получен равномерный спектр мюонов рожденных потоком нейтрино; 5) умножением количества мюонов рожденных в 1 м3 детектора на его эффективный объем, рассчитанный по результатам компьютерного моделирования, было получено количество событий зарегистрированных телескопом в год (рис. 4.5). Результаты моделирования показали, что проектируемый детектор в данном эксперименте позволяет регистрировать несколько сот нейтрино в год в интервале энергий от 3 до 10 ГэВ. На основании результатов приведенных расчетов получено сравнение точности определения параметров осцилляции Ат22з и 02з для эксперимента Super-KamiokaNDE и проектируемого глубоководного телескопа NEMO (рис.6). Значения определялось по формуле: где ЩАт 23, в2з) - число зарегистрированных в NEMO событий при значении параметров осцилляции Аш22з, 623» N(&m2exp2i, @ехр2з) - число событий при фиксированных значениях Ат22з, 023, полученных в аналогичном эксперименте. Сравнения точности результатов аналогичного эксперимента Super-KamiokaNDE показано на рис. 4.6. Следует учесть, что интервал 0 х 1 соответствует доверительному интервалу 68%, 0 х 2 -90%, 0 х 3 - 99% . Число зарегистрированных нейтрино, на основе расчетов (рис. 4.5), составляет около 400. [65, 66]
Сравнение точности определения Am 23 и 823 для эксперимента Super KamiokaNDE и проектируемого глубоководного телескопа NEMO для различных доверительных интервалов (значений х2 для NEMO). Закрашенные области определяют значения параметров осцилляции для различных значении х2 для детектора NEMO: а) 0 х2 1; Ь) К х2 2 ; с) 2 х2 3 ; d) 3 х2 8. Точками выделена область значений Am2 и 9 для х2.
В рамках проекта NEMO планируется применить акустический метод регистрации нейтрино. Для этого разработан и произведен тестовый вариант гидрофона. Гидрофон, действующий на основе интерференции световых импульсов от лазерного источника, обладает качествами необходимыми для работы в толще морской воды. Гидрофон такого типа может функционировать в условиях большого давления за счет своей простой конструкции. Не требует подачи электроэнергии. Световые сигналы передаются непосредственно на гидрофон по оптическому волокну от источника установленного на суше.
В ходе работы был создан гидрофон, принцип работы которого основан на сдвиге фаз между двумя сигналами, проходящими по оптическому волокну, намотанному на цилиндрическое основание гидрофона. При деформации гидрофона звуковой волной, сдвиг фаз меняется линейно с длиной линии оптоволокна. Для производства гидрофона разработана и применена аппаратура контроля качества, измерения ослабления сигнала. Так же изучены и применены методы производства, точной намотки оптоволокна малого диаметра, методы измерений, подключение линии к измерительным приборам непосредственно в процессе производства.
Проведены испытания гидрофона в лабораторных условиях с применением монохроматичного источника звука, в диапазоне от 1 до 10 кГц.
По данным, полученным из измерений, получена чувствительность гидрофона в зависимости от частоты. Данные об амплитудах зарегистрированных сигналов на различных частотах представлены на рис. 4.7. На графике видно стабильное плато чувствительности начинающееся на 2-3 кГц. Исследования чувствительности гидрофона показали устойчивую работу гидрофона на частотах от 3 кГц, что соответствует надобностям акустических методов регистрации нейтрино.
В дальнейшем планируется увеличить чувствительность гидрофона на частотах 10 кГц и выше. Увеличение чувствительности позволит получать информацию о сигнале на больших расстояниях, тем самым увеличить количество зарегистрированных сигналов. Число сигналов в одно событие существенно влияет на качество восстановления трека частицы [67].
Анализ результатов численного моделирования детектора NEMO с разработанными новыми оптическими модулями
В следующих слоях начинают появляться дефекты, в точках смены направления намотки и из-за возникновения промежутков между витками на неровной поверхности предыдущего слоя. На рис. 3.13 изображен гидрофон, содержащий девять слоев оптоволокна. Поверхность гидрофона имеет видимые неровности, нельзя исключать существование пересечений.
В дальнейшем, для улучшения контроля над качеством изготовления предполагается улучшить освещение поверхности. Также планируется исследовать возможность увеличения длины основного цилиндра гидрофона, чтобы увеличить длину оптоволокна на первом слое. Кроме того, собирается аппарат для более точного наматывания в автоматическом режиме.
Для проверки качества производства гидрофона недостаточно визуального наблюдения за качеством намотки. Радиус основы гидрофона составляет 7.5 мм. Такое значения кривизны сгиба оптического волокна близко к минимальному радиусу (табл. 3.1). Следовательно, помимо потерь из-за качественных дефектов при намотке, существует вероятность потерь сигнала из-за малого радиуса цилиндра, на который ложится оптоволокно при производстве.
Система контроля над потерей сигнала включает в себя лазерный источник света с возможностью регулировки мощности сигнала и регистрирующий блок, измеряющий мощность пришедшего сигнала.
Свободный конец оптоволокна от катушки был соединен, при помощи спаивания, с кабелем оптоволокна SMB-D1310B (табл. 3.1). Это обусловлено особенностью выхода источника светового сигнала, способного подавать сигнал лишь в данный тип оптоволокна. Второй свободный конец от гидрофона был подключен к измерительному блоку (рис. 3.14). Измерения в данном случае, по очевидным причинам, невозможно проводить в процессе процедуры намотки оптоволокна. Для измерения затухания сигнала в линии оптоволокна необходимо остановить станок, включить в линию источник и измерительный блок. Соединительный разъем источника можно использовать только со стандартным заводским соединением, поэтому периодическое подключение/отключение линии не вносит ошибку в измерение. В разъем измерительного блока подключается оптоволокно малого диаметра, это вносит систематическую ошибку в измерения. Как было выяснено, интенсивность сигнала, подающегося на измерительный блок, может незначительно изменяться после очередного включения в линию. После серии подключений, была набрана статистика и рассчитана величина систематической ошибки. где Wj - измеренная амплитуда сигнала. Величина погрешности составила а 3% от средней величины W = 0.144 [мВт].
Измерения производились по окончании наматывания очередного слоя. Результаты измерений приведены на рис. 3.15. Учитывая вклады других погрешностей измерения, данные можно аппроксимировать прямой. Вклад в потерю сигнала вносят три независимые причины: 1) Естественное ослабление сигнала в оптическом волокне, связанное с его характеристиками (табл. 3.1); 2) Ослабление сигнала из-за малого радиуса кривизны витков, который близок к минимальному радиусу кривизны (табл. 3.1); 3) Потери сигнала при пересечении двух соседних витков, а также вызванные дефектами на поверхности гидрофона, и сменой направления наматывания на концах основного цилиндра. Вклад дефектов в ослабление сигналов наиболее весом. Этот вывод сделан на основе измерений еще двух прототипов. Первый был изготовлен ранее и имел большое количество дефектов. Ослабление сигнала на линии с этим прототипом на 20 - 30 % больше чем у изготовленного гидрофона. Также было измерено ослабление сигнала в прототипе, имеющем длину основного цилиндра в 3.5 раза больше. Первый слой оптоволокна ложится без дефектов. Измерения ослабления сигнала показали незначительную потерю сигнала в условиях отсутствия дефектов. Соответственно, поднимая качество процедуры, можно добиться низкого ослабления сигнала в гидрофоне. Установка для измерения чувствительности гидрофона состоит из лазерного источника, устройства формирования импульсов, линии оптоволокна с зеркалами и гидрофоном, источника звука, светодиода, обрабатывающей электроники (Рис 3.15).
