Байкальский нейтринный телескоп : статус, результаты и
advertisement
УДК 537.591.15 Байкальский нейтринный телескоп : статус, результаты и перспективы развития 2007 К.В.Антипин1, В.М.Айнутдинов1, В.А.Балканов1, И.А.Белолаптиков4, Д.А.Борщев1, Н.М.Буднев2, Р.В.Васильев4, Р.Вишневский5, И.А.Данильченко1, Г.В.Домогацкий1, А.А.Дорошенко1, А.П.Дьячок2, Ж.-А.М.Джилкибаев1, О.Н.Гапоненко1, К.В.Голубков1, О.А.Гресс2, Т.И.Гресс2, О.И.Гришин2, В.А.Жуков1, А.М.Клабуков1, А.И.Климов8, А.А.Кочанов2, К.В.Конищев4, А.П.Кошечкин2, Л.А.Кузьмичев3, В.Ф. Кулепов6, Е.Миддел5, Т.Миколайский5, М.Б.Миленин6, Р.Р.Миргазов2, С.П.Михеев1, Э.А.Осипова3, Г.Л.Паньков2, Л.В.Паньков2, А.И.Панфилов1, Д.П.Петухов1, Е.Н.Плисковский4, П.Г.Похил1, В.А.Полещук1, Е.Г.Попова3, В.В.Просин3, М.И.Розанов7, В.Ю.Рубцов2, Ю.А.Семеней2, Б.А.Таращанский2, С.В.Фиалковский6, Б.К.Шайбонов4, А.А.Шейфлер1, А.В.Широков3, К.Шпиринг5, И.В.Яшин3 1 ИЯИ РАН, Москва 2 НИИПФ ИГУ, Иркутск 3 НИИЯФ им. Д.В.Скобельцына МГУ, Москва 4 5 6 7 8 ОИЯИ , Дубна ДЭЗИ-Цойтен, Германия Нижегородский Государственный Технический Университет, Н-Новгород Морской Государственный Университет, Санкт-Петербург Курчатовский институт, Москва Приводится обзор основных физических результатов, полученных за период работы Байкальского нейтринного телескопа НТ200 с 1998 по 2003 годы: пределы на диффузный поток нейтрино высоких энергий, мюонов высоких энергий и магнитных монополей, поиск нейтрино из центра Земли от аннигиляции WIMP и локальных источников нейтрино. В апреле 2005 года нейтринный телескоп НТ200 был расширен введением в строй 3-х новых гирлянд, расположенных на расстоянии 100 м от центра НТ200. Новый глубоководный комплекс получил название НТ200+. НТ200+ имеет эффективный объем для регистрации каскадов от нейтрино высоких энергий в 4 раза больший, чем соответствующий объем для НТ200, и при энергии каскадов 10 ПэВ становится равным 107 м3. Дальнейшее развитие Байкальского нейтринного эксперимента связано с проектированием и созданием детектора с объемом около 1 км3. 1. Введение. Байкальский нейтринный телескоп НТ200 [1] начал работать в апреле 1998 года. Телескоп расположен в южной части озера Байкал (51050’, С.Ш.104020’ В.Д.) на расстоянии 3.6 км от берега., на глубине 1.1 км. Прозрачность воды на этой глубине характеризуется достаточно постоянной длиной поглощения (Labs (480 нм) = 20 ÷24 м) и сильно изменяющейся от года к году ( и от сезона к сезону) длиной рассеяния (Ls = 30÷70 м). Рассеяние носит резко анизотропный характер, средний косинус угла рассеяния равен 0.85÷0.9. В настоящее время дополнительно к телескопу НТ200 смонтированы три новых гирлянды на расстоянии 100 метров от центра НТ200 (Рис.1). Новая установка получила название НТ200+. НТ200+ имеет эффективный объем для регистрации каскадов от нейтрино высоких энергий в 4 раза больший, чем соответствующий объем для НТ200, и при энергии каскадов 10 ПэВ становится равным 107 м3. 2. НТ200+ Телескоп НТ200 состоит из 8 гирлянд длиной 72 м. На каждой гирлянде расположены 24 оптических модуля (ОМ) на основе фотоприемников Квазар-370 [2]. Модули сгруппированы в пары и включены на совпадение. Пара модулей образует канал. Условие выработки триггера телескопа − срабатывание N каналов (N устанавливается равным 3 или 4) за 500 нс. Триггерный сигнал используется в качестве общего стоп - сигнала для всех TDC телескопа. Для осуществления совместной работы с внешними гирляндами триггерный сигнал передается по коаксиальному кабелю длиной 1.2 км в подводный центр сбора данных, расположенный на глубине 20 м. На внешних гирляндах длиной 140 м установлены по 12 оптических модулей (6 каналов). На каждой из внешних гирлянд вырабатывается свой локальный триггер при условии срабатывания 2 каналов за 1000 нс. Эти сигналы также передаются в подводный центр сбора данных. Для определения временной разности между срабатыванием каналов на внешних гирляндах и на НТ200 измеряется время между триггерным сигналом НТ200 и локальными триггерами внешних гирлянд. Для общей калибровки временной системы НТ200+ используется азотный лазер, расположенный на отдельной гирлянде. Большое число фотонов во вспышке лазера ( ≥1012) делает возможным зарегистрировать вспышку даже самыми дальними от лазера оптическими модулями. Эксперимент с лазером показал, что джиттер разности времен срабатывания каналов на НТ200 и на внешних гирляндах меньше 3 нс. В новой установке существенно модернизирована система передачи данных. Сбор данных и управление осуществляется двумя одноплатными компьютерами PC-104. Передача первичных данных с компьютеров на берег осуществляется по протоколу TCP/IP с помощью DSL-модемов на скорости 1 Мб/сек. Использование операционной системы Linux позволяет осуществлять дистанционный контроль за работой установки. Основное преимущество НТ200+ по сравнению с НТ200 состоит в возможности восстановления с высокой точностью положения, направления и, соответственно энергии каскадов от взаимодействия нейтрино и мюонов высокой энергии в объеме ниже НТ200. В Табл.1 приведены основные параметры установки, полученные при Монте-Карло моделировании. Точность реконструкции положения каскада может быть проверена с разумной точностью применением алгоритма восстановления положения каскада к событиям от лазера. Точность восстановления положения лазера при этом оказалась меньше 1 м. 3.Обзор физических результатов 3.1 Атмосферные мюонные нейтрино Главным признаком, позволяющим отделить мюон от нейтрино от атмосферного мюона, является направление траектории мюона из нижней полусферы (из-под Земли). Процедура восстановления траектории мюона и отбраковки фоновых событий описана в [3]. За время работы телескопа НТ200 (1038 суток чистого время наблюдения) выделено 372 события от мюонных нейтрино. При этом доля фоновых событий в данном банке событий около 15%. Ожидаемое из М-К расчета число событий для указанного периода работы телескопа составляет 385 . На основе экспериментального банка событий проводится работа по поиску возможных локальных источников нейтрино. Отметим, что время, в течение суток, когда центр Галактики попадает в поле зрения телескопа, составляет 18 часов. 3.2. Поиск релятивистских магнитных монополей. Быстрые магнитные монополи, со скоростями большими 0.8 c и с зарядом g = 68.5 e, являются очень привлекательными объектами для поиска с помощью глубоководного нейтринного телескопа. Поток черенковского света от магнитного монополя в 8300 раз превышает поток фотонов от мюона. Вследствие этого, монополь может быть зарегистрирован оптическим модулем телескопа с расстояний вплоть 100 м. Как показано в [4] монополи с массами в достаточно широком диапазоне (107 − 1014 ГэВ) могут быть ускорены в магнитных полях галактик до релятивистских скоростей и останутся релятивистскими, пройдя сквозь Землю. Поиск именно таких объектов осуществляется в Байкальском эксперименте. Поиск монополей, движущихся сверху, крайне осложнен высоким фоном от мюонных групп и высокоэнергичных каскадов. За 1003 суток чистого времени работы телескопа событий, удовлетворяющих критериям отбора магнитного монополя, не обнаружено [4]. Это позволило поставить предел на поток магнитных монополей. Для v/ c =1 предел на поток (на 90% уровне достоверности) равен: Fmon < 0.46 10-16 см-2 сек-1 ср-1 В настоящее время этот предел является наиболее сильным. 3.3 Поиск нейтрино от аннигиляции WIMP в центре Земли. Метод поиска темной материи с помощью нейтринных телескопов заключается в поиске избыточного потока нейтрино от аннигиляции слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), захваченных Землей или Солнцем. В Байкальском эксперименте была разработана система выделения квазивертикальных траекторий мюонов [5], без непосредственного восстановления траектории мюона. Использование этой системы отбора позволяет получить большую эффективную площадь ( ∼ 1800 м2 ) для выделения квазивертикальных мюонов. К настоящему времени по этой методике обработаны 502 дня работы телескопа. Выделены 24 события в интервале зенитных углов -0.75 ≥ cos θ ≥ -1. Это число событий находится в согласии с ожидаемым от атмосферных нейтрино. Если считать, что все 24 события вызваны взаимодействием атмосферных нейтрино, то может быть поставлен предел на избыточный поток мюонов от аннигиляции WIMP в центре Земли ( Рис.2.). 3.4 Поиск космических нейтрино сверхвысоких энергий Поиск нейтрино сверхвысоких энергий основан на попытке регистрации сигналов от каскадных ливней от взаимодействия нейтрино в объеме под установкой. Эффективный объем для регистрации и выделения таких каскадов из фона при высоких энергиях существенно превышает объем установки. Так, при энергии каскада 200 ТэВ эффективный объем в 10 раз превышает объем НТ200 и становится равным 1 Мтонне. За 1038 суток чистого времени наблюдения статистически значимого превышения над фоном от каскадов от атмосферных мюонов не обнаружено. Это позволило поставить предел на диффузный поток нейтрино сверхвысоких энергий. Для энергетического спектра нейтрино в источнике, подчиняющегося степенному закону с показателем γ=2, наше ограничение приведено на Рис.2. В Табл. 2 приведено ожидаемое число событий для ряда моделей, в которых предсказывался диффузный поток нейтрино. Согласно эксперименту ожидаемое число событий на 90% уровне достоверности меньше 2.5. Видно, что модели [7], [8], предсказывающие большой поток нейтрино из центральной части ядер активный галактик, исключаются экспериментом. 4. Развитие методики акустической регистрации В 2000 году на Байкале были начаты исследования с целью разработки методики и определения возможности акустической регистрации нейтрино сверхвысоких энергий. На основе накопленного опыта был создан цифровой глубоководный модуль для поиска слабых акустических сигналов с заданными свойствами от квазилокальных источников звука[13]. Этот модуль был установлен в апреле 2006 года на глубине 100 м на одной из буйковых станций, входящих в глубоководный комплекс Байкальского нейтринного телескопа. Акустический модуль содержит 4 гидрофона. Гидрофоны расположены в вершинах правильной пирамиды со стороной 1.5 метра. Такое расположение гидрофонов позволяет восстанавливать направление на источник звука с точностью лучше, чем 10 и значительно подавить фон, связанный с имитацией сигнала за счет других источников. Небольшая глубина расположения модуля выбрана из тех соображений, что основным источником акустического шума, создающего помехи для регистрации нейтрино, является приповерхностная зона [14]. При размещении на глубине 100 м детектор прослушивает “тихую” нижнюю полусферу, объем которой в 10 раз больше объема верхний “громкой” полусферы над детектором. Гидрофоны, изготовленные на основе цилиндрической пьезокерамики ЦТС-19 с тангенциальной поляризацией, имеют чувствительность около 2 мВ/Па. Коэффициент усиления предварительных усилителей не менее 40 дБ на частотах выше 2 кГц. Для подавления низкочастотных гидроакустических шумов усилители имеют частотную коррекцию с ослаблением около 20 дБ на декаду в области частот до 1кГц. После усиления и фильтрации сигналы оцифровываются с помощью 4-х канального дельта-сигма АЦП, с частотой дискретизации 200 кГц/канал. Далее с помощью микрокомпьютера Nova-С400 проводится предварительная обработка и анализ сигналов. Предварительный анализ полученных данных, показал, что в регистрируемых модулем шумах наблюдается значительное число шумовых импульсов с различными свойствами, в том числе биполярных. Однако, в течение первых 20 суток не было зарегистрировано ни одного импульса из нижней полусферы под углами больше 120 к горизонту. 5. Большой Байкальский нейтринный телескоп ГВД Создание установки НТ200+ может рассматриваться как первый шаг к созданию на Байкале нейтринного телескопа объемом около 1 км3. Расчеты показывают, что замена в центре НТ200+ телескопа НТ200 на гирлянду, содержащую 12 оптических модулей, не сильно уменьшит эффективный объем для регистрации и выделения из фона каскадов от нейтрино высоких энергий. В настоящее время началось проектирование нового телескопа. Согласно предварительным представлениям телескоп будет состоять из 90-100 гирлянд длиной 300 – 350 м, с 12-16 оптическими модулями на каждой гирлянде. Расстояние между гирляндами около 100 м. Общее число модулей в телескопе 1300 – 1700. Эффективный объем для каскадов с энергией выше 100 ТэВ составит 0.5 – 0.8 км3. Новый телескоп позволит осуществлять поиск нейтрино сверхвысоких энергий на уровне чувствительности к потокам в несколько раз ниже предела Ваксмана-Бакала [15] и более чем на порядок понизить предел на поток быстрых магнитных монополей или зарегистрировать. Одно из основных соображений при выборе фотоприемника для нового телескопа – получение чувствительности оптического модуля к черенковскому свету не ниже, чем с использованием фотоприемника Квазар-370. В настоящее время рассматриваются ФЭУ R8055 (фирмы Hamamatsu) с диаметром фотокатода 325 мм и ФЭУ XP1807(фирмы Photonis) с диаметром фотокатода 300 мм, но более высокой, чем у R8055 квантовой чувствительностью. Два оптических модуля на основе ФЭУ R8055 установлены весной 2006 года на одной их гирлянд НТ200. Электроника оптического модуля и системы сбора данных находятся на стадии проектирования. Вероятнее всего, в системе будут использованы быстрые АЦП, позволяющие оцифровывать форму сигнала с шагом ∼ 5 нс. Первые натурные испытания новой системы сбора будут проведены весной 2007 года, а весной 2008 года предполагается включить в состав НТ200+ прототип гирлянды нового телескопа. К концу 2008 года планируется подготовить технический проект нового телескопа. 6. Заключение. Байкальский нейтринный телескоп НТ200 осуществляет набор данных с 1998 года. За время работы телескопа выделено 372 события от мюонных нейтрино. Получено достаточно сильное ограничение на диффузный поток нейтрино в предположении энергетического спектра E-2 : E2 Φ(νe + νµ +ντ) < 8.1×10-7 см-2 сек-1 ср-1 ГэВ. Получен также наиболее сильный в настоящее время предел на поток релятивистских магнитных монополей. В 2005 году в состав установки вошли 3 внешних гирлянды на расстоянии 100 м от центра НТ200. Три года работы новой установки ( НТ200+) позволят понизить предел на диффузный поток до 2×10-7 см-2 сек-1 ср-1 ГэВ для энергий нейтрино больше 100 ТэВ. Параллельно с эксплуатацией НТ200+ коллаборация Байкал приступила к работам по созданию проекта нейтринного телескопа объемом около 1 км3 на Байкале. Работа поддержана грантами Министерства Науки и Образования РФ. Министерства науки и образования, РФФИ ( 05-02-17476, 04-02-17289, 04-02-16171, 05-02-16593, 06-0231012, 05-02-16593, 05-05-97262-р_байкал, 06-02-31005), грантом президента РФ о поддержке ведущих научных школ НШ-4580.2006.2 и грантом НАСА (NIG –9811707) Литература 1. Belolaptikov I.A.et al. //Astropart. Phys. 1997. V 7. P.263 2 Bagduev R.I.et al. // Nucl. Instr. Meth. A 1999. V.420. P. 138 3. Belolaptikov I.A.et al. //Astropart. Phys. 1999. V 12. P.75 4. Aynutdinov V. et al. astro-ph/0507713 (2005) 5. Balkanov V. et al.// Nucl.Phys. (Proc.Suppl) 2000. V.91. P.438 6. Aynutdinov V.et al astro-ph/0609711 (2006) 7. Stecker F. and Salamon M.// Space Sci.Rev, 1996. V. 75. P.341 8. Szabo A. and Protheroe R. //Proc. High Energy Neutrino Astrophysics, ed V.J.Stenger et al., Honolulu, Hawaii (1992) 9. Mannheim K.// Astropart.Physics 1995. V.3. P.295 10. Protheroe R. astro-ph/961213 (1996) 11. Semikoz D. and Sigl G. hep-ph/0309328 (2003) 12. Stecker F. // Phys.Rev D 2005. V.72. P.107301 13. Aynutdinov V. et al // Proc. Int. Workshop on Acoustic and Radio EeV Neutrino Activities (ARENA2005) World Scientific(2006) P.202. 14. Aynutdinov V.et al // Proc. Int. Workshop on Acoustic and Radio EeV Neutrino Activities (ARENA2005) World Scientific(2006) P.117 15. E. Waxman J. Bahcal //Phys.Rev. D. 1999.. V.59. P.023002 16. Aynutdinov V.et al.//Astropart.Phys. 2006. V.25. P.140 Таблица 1 Эффективный объем для регистрации ∼10 Мтонн каскадов с энергией 10 ПэВ Угловая точность восстановления ∆ψ ≤ 5 0 для 50% событий направления каскадов (∆ψ - разность углов между направлением смоделированного и реконструированного каскада) Точность восстановления положения δR = 3-5 м каскада R – расстояние от центра НТ200 до максимума каскада Точность восстановления энергии δ(lg E) / lgE ≈ 0.1 каскада ( для 1 ПэВ) Таблица 2 Модель SS [7] SP u [8] SP l [8] M pp +pγ[9] P pγ[10] Se Si [11] S[12] Ожидаемое число событий 10 40 6.7 0.86 2.19 1.18 1 Экспериментальное ограничение ( на 90% уровне) <2.5 <2.5 <2.5 <2.5 <2.5 <2.5 <2.5 Подписи к рисункам Рис.1 Общий вид глубоководного нейтринного телескопа НТ200+ Рис.2 Предел на избыточный поток мюонов из центра Земли как функция массы нейтралино. Сcылки на пределы других экспериментов в [6] Рис.3 Пределы на диффузный поток нейтрино. Пунктиром показан возможный предел после 3-х лет работы НТ200+. Ссылки на теоретические кривые приведены в [16] The Baikal Neutrino Telescope: status, results and plans K. Antipin1, V. Aynudinov ¹, V. Balkanov ¹, I. Belolaptikov 4, D.Borshov 4, N. Budnev ², I. Danilchenko ¹, G.Domogatsky ¹, A.Doroshenko ¹, A. Dyachok2, Zh..-A. Dzilkibaev ¹, S. Fialkovsky 6, O. Gaponenko ¹, K. Golubkov ¹, O. Gress ², T. Gress ², O.Grishin ², A. Klubukov ¹, A.Klimov 8, A. Kochanov ², K. Konishev 4 , A.Koshechkin ¹, L. Kuzmichev ³, Kulepov 6, E. Middell 5, S. Mikheyev ¹, T. Mikolajski 5, M. Milenin 6, R. Mirgazov ², E. Osipova ³, G. Pan’kov ², A. Panfilov ¹, D. Petukhov ¹, E. Pliskovsky 4 , P. Pokhil ¹, V. Poleschuc ¹, E. Popova ³, V.Prosin ³, M. Rosanov, V. Rubtsov ², Yu. Semeney ², B.Shaibonov 4, A. Shirokov ³, A. Sheifler ¹, Ch. Spiering 5, B. Tarashansky ², R. Vasiljev 4, R. Wischnevski 5, I. Yashin ³, V. Zhukov ¹ 12345678- Institute for Nuclear Research Russian Academy of Science, Moscow, Russia Irkutsk State University, Irkutsk, Russia Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics Moscow State University, Moscow, Russia Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia DEZY, Zeuthen, Germany, Nizhni Novgorod State Technical University, Nizhni Novgorod, Russia St.Peterburg State Marine University, St.Peterburg, Russia Kurchatov Institute, Moscow, Russia Abstract We present the review of selected results obtained with Baikal neutrino telescope fin the period from 1998 to 2003 ( muon atmospheric neutrinos, search for relativistic magnetic monopoles, neutrino from WIMP annihilation and search for very high energy extraterrestrial neutrinos). In April 2005 telescope had been upgraded to detector NT200+. We describe the design, property and physics program of new telescope and R&D activities towards the new Gigaton (km3) scale detector at the lake Baikal. 1 2
