PODSŁUCHIWANIE NEUTRIN G. Polok

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Produkcja neutrin Wysoko energetyczne neutrina produkowane są w oddziaływaniach hadronowych. Protony zderzają się z tarczą typu chmura gazu lub z wysokoenergetycznymi fotonami i produkują piony: p + p → Δ+ + p → p + n + π+ p + p → X + π+ n + p → Δ0 + p →p + p + π- Dla protonów o energii większej niż 1020 eV następuje oddziaływanie z CMB (Cosmic Microvawe Background) i produkcja pionów : p + γ → Δ+ → n + π+ Naładowane piony rozpadają się na miony i neutrina a miony w elektrony i neutrina z wydajnością prawie 100% π+ → μ+ + νμ → e+ + νe + νμ + νμ π- → μ- + νμ → e- + νe + νμ + νμ Stosunki produkowanych neutrin ( νe : νμ : ντ ) = (1:2:0) ale z uwagi na oscylacje przy dużych odległościach te stosunki zmieniają się na (1:1:1) Wysokoenergetyczne protony produkują także kaony, rozpadające się na piony (28%) lub wprost na miony i neutrina (63% G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Źródła neutrin Neutrina atmosferyczne: Promieniowanie kosmiczne oddziaływuje z atmosferą ziemską produkując kaskady składające się z części elektromagnetycznej , hadronowej i mionowej. Część elektromagnetyczna produkuje naładowane leptony i fotony podczas gdy hadronowa część składa się głownie z pionów i kaonów Galaktyczne źródła neutrin: Supernowa – Eksplozja masywnej gwiazdy – powstają neutrina (~MeV) w tzw. odwrotnym rozpadzie beta i są przyspieszane zgodnie z akceleracją pierwszego rodzaju Fermiego. Pulsary – szybko rotujące gwiazdy neutronowe. Jeżeli oś rotacji i oś pulsara nie są równoległe to produkowane są dwa dżety wzdłuż osi pola magnetycznego i tam cząstki są przyspieszane zgodnie z mechanizmem opisanym przez Fermiego (tzn. chmura gazowa jest przyspieszana i wzrost energii jest proporcjonalny do β2). G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Źródła neutrin Mikro kwazary: - są to binarne systemy gwiazd neutronowych lub czarnej dziury i gwiazdy. Protony są przyspieszane w pobliżu takich systemów i w materii gwiazdy mogą produkować neutrina. Płaszczyzna galaktyki: - Wysokoenergetyczne protony oddziaływują z materią w płaszczyźnie galaktyki i produkują neutrina przez rozpady pionów Czarna materia i efekty topologiczne: - ich rozpady, oddziaływania czy też anihilacja może prowadzić do produkcji neutrin Źródła pozagalaktyczne: - Jądra aktywnych galaktyk (AGN) są obszarami gdzie super ciężka czarna dziura rozpędza cała galaktykę. Protony przelatujące w pobliżu mogą oddziaływać z otaczającą materią i produkować neutrina - Błyski fotonowe (Gamma Ray Burst –GMB), których pochodzenie nadal jest nieznane. Obecne wyjaśnienia mówią o grawitacyjnej zapaści czy też zderzeniu masywnych gwiazd , czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Mechanizm jak w AGN. G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Wykrywanie neutrin Neutrino oddziaływuje poprzez mechanizm słabego oddziaływania . W przypadku prądów neutralnych powstaje w wyniku zderzenia neutrina z jadrem N kaskada X: νl + N → νl + X dla prądów naładowanych powstaje lepton i kaskada: νl + N → l + X Jeżeli ograniczymy nasze zainteresowanie do ultra wysokoenergetycznych neutrin (> 1015 eV) to istnieją tylko dwie metody wykrywania : radiowa i akustyczna G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Wysokoenergetyczne neutrina a materia 1957r. G.A. Askaryan wyjaśnił generowanie elektromagnetycznych i akustycznych sygnałów przy przechodzeniu neutrin przez niektóre materiały takie jak woda , lód czy pokłady soli. W przypadku indukowania kaskady następuje przesunięcie ładunku (polaryzacja) w kaskadzie a to generuje fale radiowe, które mogą być zarejestrowane. Drugim mechanizmem , który towarzyszy przejściu UHE neutrin (1020 eV) to powstanie impulsu akustycznego (fali akustycznej). Wynika to z kilku faktów : Tworzona wysokoenergetyczna kaskada zabiera neutrinu 25% energii czyli dość sporo Następuje kwazi-ciągły depozyt energii w małej objętości medium o cylindrycznym kształcie długości kilkunastu metrów i średnicy kilkunastu centymetrów. Prowadzi to do ogrzania medium a więc i jego ekspansji czemu towarzyszy fala akustyczna w kierunku prostopadłym do kierunku poruszania się neutrina G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Wysokoenergetyczne neutrina a materia Pierwsza obserwacja akustycznych impulsów miała miejsce w Brookhaven NL w 1979r. Wykorzystano w tym celu 200MeV wiązkę protonów rejestrując całkowity depozyt energii w wodzie rzędu 1015 eV. Przestudiowano zależność amplitudy jako funkcję zdeponowanej energii , temperatury oraz ciśnienia wody. Okazało się także, że częstotliwość zależy w głównej mierze od poprzecznego rozmycia kaskady z amplitudą w maksimum rzędu kilkudziesięciu kHz. Właśnie fala akustyczna o takiej częstości może pokonywać bardzo duże odległości. W ostatnim czasie wszystkie te informacje zostały potwierdzone na wiązkach protonowych w Uppsali i ITEP w Moskwie. Oczekuje się, że neutrino 1020 eV rejestrowane w odległości 1 km wywoła ciśnienie 0.5 Pa w wodzie i 5Pa w lodzie. G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Eksperymenty testujące metodę akustyczną SPATS – South Pole Acoustic Test Setup Korzysta ze współpracy z projektem IceCube i wykorzystuje wykonane wiercenia w lodzie do instalacji własnej aparatury akustycznej SAUND – Study of Acoustic Ultra High Neutrino Detection Wykorzystuje system AUTEC marynarki wojennej . Przeprowadzili badania za pomocą 56 hydrophonow na powierzchni 1000km2 na głębokości 1500m Baikal – badania są przeprowadzane w jeziorze Bajkał G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Eksperymenty testujące metodę akustyczną ACORNE – Acoustic Cosmic Ray Neutrino Eksperyment Przeprowadzają eksperymenty na głębokości 250m u zachodnio – północnych wybrzeży Szkocji w oparciu o 8 hydrophonów i ciągłe dwutygodniowe pomiary AMADEUS – ANTARES Modules for Acoustic Detection Under the SEA Testują kilkadziesiąt hydrophonów zawieszonych w postaci dwóch łańcuchów. Są to mikrofony komercyjne oraz wykonane przez zespół eksperymentu . ONDE – eksperyment współpracy NEMO ( w pobliżu Sycylii) Pracują w oparciu o cztery hydrophony w kształcie piramid z bardzo tanią elektroniką i próbkują dane o częstotliwości 96kHz G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Co testują eksperymenty Hydrophon – sensor akustyczny dla wody Są to piezo - elektryczne materiały ceramiczne dostępne zarówno komercyjnie jak i możliwe do wykonania we własnym zakresie Każdy musi posiadać krzywą kalibracji w funkcji głębokości zanurzenia co nie jest standardem dla sensorów komercyjnych. Stąd wynika potrzeba przeprowadzenia pomiarów zależności wielkości sygnału od ciśnienia Glaciophon – sensor akustyczny dla lodu Bardzo podobny do w/w ale oczywiście posiadający dla lodu zupełnie inną charakterystykę Dla niskich ciśnień zmierzona czułość jest bardzo obiecująca G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 SPATS - 2011 South Pole Acoustic Test Setup jest projektem eksperymentu mającym zamiar poszukiwać super wysokoenergetycznych neutrin tj E > 1017 eV Neutrina o takiej energii nie są produkowane w ziemskiej stratosferze a więc nie trzeba się odcinać od tła schodząc na głębokość 2500 -3000m (IceCube, Antares) z detektorami gdzie jest nadzieja zarejestrowania neutrin o energii >1013 eV Celem eksperymentu SPATS jest znalezienie miejsca we wszechświecie skąd do nas dolatują te astrocząstki. Z dotychczasowych symulacji wynika, że w ciągu roku ziemskiego przez objętość zawartą w 100km3 lodu może przechodzić i zostać zarejestrowanych około 20 takich neutrin. Taki ma być docelowo rozmiar detektora SPATS G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Detektor SPATS G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Obecne cele eksperymentu Pomiar atenuacji, absorbcji irozpraszania Pomiar prędkości dźwięku Pomiar poziomu tła i energii progowej Pomiar poziomu tła przypadków G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

South Pole Acoustic Test Setup G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Rozmieszczenie dla testów G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Rejestrator G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Pomiar atenuacji akustycznej 2009r G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Czas zaniku zakłóceń spowodowanych wierceniem w lodzie G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

Pomiar atenuacji akustycznej 2011r G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Zależność możliwości detekcji neutrin od objętości G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Wnioski W trakcie dwu letnich pomiarów wszystkie krytyczne parametry akustycznych neutrin zostały zmierzone (tłumienie, prędkość sygnału na różnych głębokościach itp.) Strumień neutrin dla obecnej wersji detektora SPATS został wyliczony Pomiary kalibracyjne pozwoliły na porównanie wyników laboratoryjnych ( w ograniczonych objętościach) lodu i czułości lodu. Co pozostało do zrobienia Trzeba poprawić triger bazujący na koincydencjach z łańcuchów Wyeliminować szum a także przebadać czułość metody Należy przetestować następną generację akustycznych sensorów G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Projekt ARA G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Projekt Ara 37 stacji pomiarowych 111 (148) dziur w lodzie Głębokość wierceń 200-250m Wiercenia w lodzie do wielokrotnego wykorzystania Urządzenia akustyczne względnie tanie Wszystkie parametry akustyczne znane G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Projekt Arianna Dodać sensory akustyczne od 200 do 400 m głebokości G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Rozważane lokalizacje G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Wygląd bazy G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Urządzenie do wiercenia w lodzie (mól) G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Zestaw wiertniczy G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012

G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012 Dziękuję G.Polok Podsłuchiwanie neutrin 22.03.2012