Введение к работе
В диссертации описывается новый метод измерения потока мюонов в нейтринных телескопах. Метод основан на использовании временных корреляций между импульсами, регистрируемыми различными элементами детектора. Сигнал от атмосферных мюонов выделяется из фона случайных совпадений с помощью простых статистических методов. Рассматривается применение метода в эксперименте АНТАРЕС и полученные результаты. Благодаря простоте метода достигается значительно более низкий энергетический порог, чем в других измерениях на подобных установках (около 4 ГэВ). Также описывается новый метод калибровки черенковских детекторов, основанный на использовании естественной радиоактивности морской воды (распада К). Данный метод также базируется на статистическом анализе временных корреляций между импульсами. Описывается применение метода в эксперименте АНТАРЕС, приводятся примеры полученных результатов. Результаты калибровки используются для достижения высокой точности при измерении потока мюонов.
1.1. Актуально сть темы диссертации
Нейтринная астрономия высоких энергий является молодой и динамично развивающейся областью экспериментальной физики. В настоящее время в мире функционируют три больших установки, служащих целям нейтринной астрономии: Байкальский нейтринный телескоп в России, телескоп АНТАРЕС (ANTARES) в Средиземном море и телескоп АМАНДА/АйсКьюб (AMANDA/IceCube) на Южном полюсе. Сотрудничество Байкал ведет работы по расширению своего детектора НТ200+. Сотрудничество АйсКьюб ведет на Южном полюсе активное строительство детектора объемом около 1 км . Консорциум KM3NeT ведет разработки по созданию в Средиземном море установки аналогичного объема. Очевидно, что столь бурное развитие новой области экспериментальной техники требует развития методов измерения и калибровки детекторов, удовлетворяющих возросшим требованиям к эффективности и точности измерений. Также требуется детальное
изучение фонов, сопутствующих измерению потоков космических нейтрино.
Атмосферные мюоны образуются при распаде пионов и каонов, рождающихся в атмосфере Земли под действием потока частиц первичных космических лучей, бомбардирующих атмосферу. В зависимости от энергии эти мюоны могут проникать на глубины до нескольких тысяч метров ниже уровня моря и более. Величина потока мюонов на различных глубинах определяется энергетическим спектром и составом космических лучей, а также физикой взаимодействия ядер и физикой взаимодействия мюонов с веществом. В отличие от физики мюонов, особенности потока космических лучей и их взаимодействия при сверхвысоких энергиях пока остаются не до конца изученными в связи с определенными экспериментальными и теоретическими трудностями. Поэтому измерения потока атмосферных мюонов представляют немалый интерес как с точки зрения физики космических лучей, так и физики адронных взаимодействий, в частности физики тяжелых ионов и дифракционной физики. Кроме того, измерения потока атмосферных мюонов важны для экспериментов с нейтрино, в которых атмосферные мюоны представляют важнейший источник фона, в частности для нейтринных телескопов. Измерение потока мюонов является основным «калибровочным» измерением, позволяющим провести проверку работы всего телескопа на количественном уровне. Знание потока атмосферных мюонов используется для нормировки потока атмосферных нейтрино, которые образуются в тех же процессах в атмосфере, что и мюоны. Поток атмосферных нейтрино, в свою очередь, является основным фоном при поиске космических источников нейтрино, а потому требует изучения с высокой точностью. Кроме того, знание потока атмосферных нейтрино важно для исследований осцилляции нейтрино, являющихся сейчас одной из наиболее динамично развивающихся областей физики частиц. Таким образом, исследования атмосферных мюонов являются в настоящее время весьма актуальными и необходимыми для развития нейтринной астрономии и смежных областей исследований.
1.2. Цель диссертационной работы
Целью работы является измерение зависимости интегрального потока атмосферных мюонов от глубины в детекторе АНТАРЕС, а также создание необходимых для этого методов калибровки и измерения.
1.3. Научная новизна
В большинстве подземных и подводных экспериментов с нейтрино производились измерения интенсивности потока мюонов как функции угла, а результаты интерпретировались как зависимость вертикальной интенсивности потока от эффективной глубины. Такой метод требует применения сложных алгоритмов реконструкции треков, учета особенностей отклика детектора, введения различного рода поправок и пр. Подобные измерения проводились, в том числе, и в АНТАРЕС. Особенностью этих измерений является то, что каждое из них фактически проводится на одной глубине, но покрывает большой диапазон эффективных глубин. В данной диссертации представлен отличный от этого метод измерения, который позволяет непосредственно наблюдать постепенное уменьшение потока мюонов с глубиной в пределах одной экспериментальной установки.
Новый метод основан на наблюдении коррелированных сигналов в соседних этажах детектора и позволяет проводить независимое измерение полного (интегрального) потока мюонов на различных глубинах (в пределах детектора). Сигнал атмосферных мюонов выделяется из фона случайных совпадений на статистической основе. Благодаря своей простоте данный метод обеспечивает низкий энергетический порог (около 4 ГэВ в случае АНТАРЕС) и сравнительно низкий уровень систематических погрешностей. С помощью данного метода была измерена зависимость потока мюонов от глубины в детекторе АНТАРЕС. Диапазон глубин составил от 2030 до 2380 м под уровнем моря, шаг измерения - 14,5 м. Это первое столь детальное измерение на подобных глубинах.
В успехе проведенного измерения ключевую роль сыграла высокая точность калибровки чувствительности фотодетекторов в АНТАРЕС, которая была достигнута за счет применения нового метода калибровки, также представленного в настоящей диссертации. Метод основан на использовании естественной радиоактивности морской воды (распада К). Выделение коррелированных сигналов, вызываемых распадами К, проводится на статистической основе. Данный метод позволяет определять чувствительности фотодетекторов с точностью не менее 5%, а также калибровать временные задержки между ними. Благодаря стабильному составу морской воды возможен мониторинг измеряемых параметров в течение длительных промежутков времени. Метод устойчив к воздействию биолюминесценции. Подобный способ калибровки применяется в нейтринных телескопах впервые.
1.4. Результаты и положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
метод калибровки подводных черенковских детекторов, основанный на использовании естественной радиоактивности морской воды, а также его техническая реализация в эксперименте АНТАРЕС;
метод измерения зависимости потока мюонов от глубины, основанный на наблюдении коррелированных сигналов в соседних этажах детектора;
результаты измерения зависимости потока мюонов от глубины в эксперименте АНТАРЕС предложенным методом.
1.5. Апробация работы и публикации
Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на многочисленных совещаниях международного сотрудничества АНТАРЕС, а также на совместном совещании АНТАРЕС и АйсКьюб, на институтском семинаре ИТЭФ и на зимней школе ИТЭФ.
Основные материалы работы докладывались на международных конференциях ICATPP (Комо, Италия) в 2007 г., Rencontres de Moriond в 2008 г. (Ля Туиль, Италия), и на Ломоносовской конференции по физике элементарных частиц в Москве в 2009 г.
По материалам диссертации опубликованы две работы в известных реферируемых журналах.
Будучи неотъемлемой частью результатов эксперимента АНТАРЕС, эта работа также многократно представлялась на различных конференциях другими членами сотрудничества АНТАРЕС и вошла в состав некоторых публикаций, подготовленных без непосредственного участия автора.
1.6. Личный вклад диссертанта
Диссертант выполнил полный цикл работ по созданию представленных в диссертации экспериментальных методов, пройдя путь от обнаружения соответствующих эффектов до успешного их применения в физическом измерении и выпуска публикаций.
1.7. Структура и объем диссертации
