слайды - ANTARES в МГУ

ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2007
Секция ядерной физики
Исследование акустического
поля, создаваемого в воде
пучком электронов
с энергией 50 МэВ
В.Б. Бычков, В.С. Демидов, Е.В. Демидова, А.Н. Ермаков, О.Д. Ершова,
Б.С. Ишханов, В.П. Масляный, А.Ю. Соколов, Н.А. Халдеева
Москва, 2006
НИИЯФ МГУ
Зачем это нужно?
Явление
генерации звука
каскадами частиц
Регистрация нейтрино
акустическим методом
Почему именно нейтрино?
Нейтрино:

Инструмент для изучения механизмов ускорения
частиц в энергичных астрофизических источниках,
таких как активные ядра галактик и вспышки гаммаизлучения;

проблема порога ГЗК;

осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино;

возможная роль нейтрино в Темной материи, и др.
10 GeV
1 TeV
1 PeV
1 EeV
1 ZeV (1021 eV)
Почему именно нейтрино?
Нейтрино:

Инструмент для изучения механизмов ускорения
частиц в энергичных астрофизических источниках,
таких как активные ядра галактик и вспышки гаммаизлучения;

проблема порога ГЗК;

осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино;

возможная роль нейтрино в Темной материи, и др.
10 GeV
1 TeV
1 PeV
1 EeV
1 ZeV (1021 eV)
Особые свойства нейтрино
+
–
 малое сечение взаимодействия
нейтрино с веществом
 нулевой электрический заряд
Сложности:
 малое сечение взаимодействия
 малые потоки при высоких энергиях
Необходимы детекторы больших объемов
Два метода детектирования
1
2
Черенковский
Детектирование черенковского излучения
вторичных мюонов
Акустический
Детектирование звуковых волн от
каскадных ливней
Черенковский метод
The telescope will be equipped
with 4000 light detectors
µ
νµ
Акустический метод
Высокие энергии
малые потоки
Необходимы большие объемы детекторов
Длина затухания звука ~ 1 км (на 10 кГц)
Длина затухания света ~ 50 м
Eν > 1015 эВ
Механизм генерации звука
В результате взаимодействия
нейтрино в воде возникают
электромагнитно-адронные
ливни
νµ
Мгновенное выделение теплоты в
ограниченном объеме дает
начало импульсу давления,
имеющему биполярную форму
µ
Акустическое излучение
распространяется в области,
имеющей форму сплюснутого
цилиндра
Научные группы
•
•
•
•
•
•
SAUND (Stanford University, California)
NEMO (INFN Genova, Italy)
ANTARES (University of Erlangen, Germany)
ACORNE (University of Sheffield, UK)
HT-200 (Байкал)
НИИЯФ МГУ
Акустические эксперименты на ускорителях
•
Явление генерации звука каскадами частиц можно
смоделировать в лабораторных условиях –
эксперименты на ускорителях в интенсивных пучках p и ē
•
НИИЯФ МГУ: изучение акустических эффектов, возникающих
в воде при прохождении пучка электронов
Ускоритель электронов RTM 70
Импульсный разрезной микротрон RTM 70, НИИЯФ МГУ
Параметры пучка в эксперименте
Энергия электронов
50 МэВ
Длительность импульса
8 мкс
Частота повторения импульсов
10 Гц
2,5 мм
Пространственные размеры
сечения пучка
5 мм
Средний ток пучка
2 мА
Суммарное энерговыделение
в импульсе
5·1018 эВ
Моделирование
X, mm
Пространственное распределение средних потерь энергии
на единицу объема
Параметры пучка:
d = 4 мм
E = 50 МэВ
N = 1011
40
20
2.5e+08
2e+08
1.5e+08
1e+08
0.5e+08
0
0
Энерговыделение,
МэВ/мм3
-20
Z, mm
-40
0
100
200
300
400
500
Моделирование
dE(X), MeV/mm3
Поперечное распределение средних потерь энергии
для нескольких сечений пучка
3e+08
2.5e+08
2e+08
1.5e+08
1e+08
0.5e+08
0
-20
-10
0
10
20 X, mm
Схема эксперимента
Y
гидрофон
пучок
523 мм
x
65 мм
ЭМ ливень
Z
945 мм
Z
508 мм
Гидрофон перемещался вдоль линейных трасс с шагом 4.5 мм. Далее
представлены результаты измерений на трассе, проходящей на расстоянии
X = 6.5 см от оси пучка
Схема эксперимента
Сканер
(шаг = 4.5 мм)
пучок
Бассейн
100x50x50 cm3
Гидрофон
Широкополосный (до 160 кГц) высокочувствительный (> 1мВ/Па)
гидрофон на основе пьезокерамики с тангенциальной
поляризацией
3,5 см
Блок-схема эксперимента
гидрофон
Датчик тока
пучка
1
• Время наблюдения: 1 мс
• Частота оцифровки: 10 МГц
Усилитель
Robotron
50 dB
20 - 200 kHz
Усилитель
У7-1
10 dB
10 - 100 kHz
2
Осциллоскоп
Синхроимпульс
Компьютер
Результаты эксперимента
Сигнал на
расстоянии
X = 6.5 см от
оси пучка,
измеренный
вблизи
заглушки
Амплитуда
сигнала, В
40 мкс
R = 6 см
Время, мкс
Результаты эксперимента
Вычисление тока пучка для
каждого измерения
Нормировка сигналов на 1 мА
тока пучка
Временные зависимости
сигналов построены друг под
другом с шагом, равным
расстоянию между точками
измерений
Результаты эксперимента
пучок
Расстояние
вдоль
трассы, см
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Расстояние от гидрофона до источника звука,
(время*1500 м/с), м
Результаты эксперимента
Расстояние
вдоль
трассы, см
AB:
сигнал от
ближайшей точки
излучающей
акустической
антенны
пучок
А
В
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Расстояние от гидрофона до источника звука,
(время*1500 м/с), м
Результаты эксперимента
Расстояние
вдоль
трассы, см
C
AB:
сигнал от
ближайшей точки
излучающей
акустической
антенны
D
пучок
CD:
источник –
область заглушки,
через которую
пучок входит
в воду
А
В
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Расстояние от гидрофона до источника звука,
(время*1500 м/с), м
Результаты эксперимента
R = Vt + r0
V = (1435 ± 12) м/сек
V = (1461 ± 15) м/сек
(измерено в калибровочном опыте с
пьезоэлектрическим излучателем в
качестве источника звука)
Результаты эксперимента
•
Зарегистрировано акустическое излучение от
электронно-фотонного ливня, создаваемого пучком
электронов в воде;
• получена детальная пространственно-временная
зависимость акустического поля;
•
разделены сигналы из области выделения
энергии электромагнитным ливнем и из области
заглушки, через которую пучок входит в воду.
Дальнейшие планы и задачи
•
Получение количественных данных;
•
реконструкция формы излучающей области и параметров каскада по
зарегистрированным сигналам;
•
измерения при разных значениях диаметра пучка, энергии частиц,
длительности импульса. Изучение зависимости характеристик поля от
этих параметров;
•
подтверждение теплового механизма генерации звука как безусловно
доминирующего, изучение возможного вклада других механизмов;
•
усовершенствование алгоритмов обработки сигналов.