Акустические методы детектирования нейтрино Орлов М.В. Научные руководители:
advertisement
Акустические методы детектирования нейтрино Орлов М.В. Научные руководители: К.ф-м.н. Широков Е.В. Проф. Деденко Л.Г. Нейтрино: откуда солнечные атмосферные галактические космические солнечные Солнце: полностью построена модель. Основное выделение нейтрино в реакции превращения восьми протонов в две альфа-частицы. В основном нейтрино с энергией <0.42МэВ, значительно меньше 0.86 Мэв и <14МэВ. Известно энерговыделение Солнца, поэтому можем посчитать предполагаемый поток нейтрино на Земле. атмосферные В верхних слоях атмосферы космические лучи сталкиваются с ядрами. Рождение мезонов. Заряженные пионы при распаде дают мюоны и мюонные нейтрино. Мюоны дополнительно распадаются на электроны и нейтрино двух ароматов, то есть мюонных нейтрино должно быть в два раза больше. Однако ожидаемые потоки нейтрино не соответствуют реальным. Теория осцилляций: изменение аромата нейтрино при движении. Доказан факт существования эффекта, но нет чёткой численной модели. галактические В нашей галактике известно несколько объектов, ускоряющих ионы до высоких энергий. Тот же эффект, что и в атмосфере Земли: рождение фотонов и нейтрино. Потоки известны. космические Все внеземные источники. Множество теорий: эффект ГЗК, ядра активных галактик, молодые остатки сверхновых, распад топологических дефектов и т.д. При этом: • Отсутствие чётких предсказаний энергий и потоков • Нейтрино как идеальная частица: не взаимодействует с веществом и не отклоняется магнитными полями • На данный момент отсутствие каких-либо чётких экспериментальных данных • Теоретические пределы на потоки меньше возможностей современных установок Как ловить? Три типа реакций: • Нейтрино + нуклон → лептон + адрон • Упругое рассеяние на лептоне • Упругое рассеяние на нуклоне Вторая и третья – только в области поиска осцилляций. Основная реакция для нейтринной телескопии первая. Блокируем приходящие частицы, полагая, что все идущие снизу имеют нейтринное происхождение. Методы детектирования черенковский свет радиоизлучение акустические волны Особенности акустического метода • Черенковский метод разработан и популярен в настоящее время. Эксперименты на системах гидрофонов проводились в проекте SAUND с 2003 года. Нет устоявшихся наработок. • Длина затухания сигнала в воде для максимальной частоты составляет около километра, в то время как Черенковский свет затухает в течение ~70 метров. Как следствие более дешёвые установки. • Новые телескопы ANTARES, NEMO, IceCube разрабатываются с приоритетом оптического детектирования, но тем не менее, в них существуют проекты по установке гидрофонов. • Пиковые частоты: 8 килогерц для океана, 20 для льда и 42 для солей. • Для нейтрино энергии 1020 электронвольт подавляющая часть энергии выделится в цилиндре длиной 10 метров и радиусом 20 сантиметров. Гибридный метод Л. Деденко Цель: смоделировать акустическое поле от нейтрино ультравысокой энергии. Проблема: прямые вычисления требуют очень большого машинного времени. Решение: использовать разные подходы для разных диапазонов энергии. Состояние: грубые приближения, требуется использование более точных методов. Энергии > ELPM~1015эВ Эффект Ландау-Померанчука-Мигдала, уменьшение сечений физических процессов у быстрых частиц. Усреднение неравномерностей с помощью метода МонтеКарло. Монте-Карло ELPM Энергии > Ethr=1010эВ Линейный метод транспортных уравнений. Нижний предел по энергии обусловлен увеличением количества частиц, удалённых от центра пучка. Транспортные уравнения Ethr Монте-Карло ELPM Энергии вплоть до нуля Снова моделирование методом Монте-Карло. На этот раз с помощью Geant4. Построение усреднённых распределений энергии и последующее их интегрирование с функциями источника. Транспортные Монте-Карло уравнения Ethr Монте-Карло ELPM Получение конечного распределения энергии Монте-Карло Транспортные уравнения Монте-Карло Структура метода Нейтральные пионы распадаются с испусканием двух фотонов Распределение энергии Э/м ливень Расчёт акустического поля с помощью уравнения Пуассона МонтеКарло (Geant4) Электромагнитный ливень Транспортные уравнения Ethr МонтеКарло ELPM Моделирование в нижнем диапазоне энергий Делается с помощью библиотеки для моделирования прохождения частиц через вещество Geant4, разработанной в CERN’е. Для решения соответствующей задачи написана программа на C++, работающая в операционной системе Linux. Идеология Geant4 Управляющий класс Конструкция детектора Используемые процессы Начальные частицы Выборка данных Что моделируется Написанная программа Типичная структура программы на Geant4 Чтение настроек из файла и из командной строки Сохранение результатов в текстовые файлы Написанная программа Возможности: • Свободное изменение параметров без перекомпиляции • Запись каждого моделирования в отдельный файл • Выбор из разных электромагнитных моделей • Изменение размеров цилиндра моделирования , энергии и прочего • Отдельные программы для усреднения результатов и построения графических файлов Что это даёт: • Возможность автоматизации путём варьирования параметров в цикле с помощью командных файлов Linux • Надёжность работы Одно событие 10 ГэВ 10 событий 70 событий 500 событий 1000 событий 5000 событий Статус программы • Отлажена и работает • Получены распределения энергий для разных электромагнитных моделей и разных начальных энергий частиц • Нужно понять, какой моделью пользоваться, удостовериться в истинности результатов Планы и перспективы • Построить целостную реализацию предложенного гибридного метода • Получить первые результаты • Разобраться в возможностях ускорения работы путём аппроксимации библиотеки данных какими-либо функциями
