5 Нейтринная астрофизика Л. А. Кузьмичев ниияф мгу



страница5/8
Дата04.05.2016
Размер0.6 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8

5.2 Оптические нейтринные телескопы в естественных средах


Идея регистрации нейтрино в природных водоемах по черенковскому излучению рожденного при взаимодействии нейтрино мюона предложена в начале 60-х годов М.А.Марковым (Markov, 1960), но только в 90-ые годы идея нашла свое экспериментальное воплощение.

Глубоководный нейтринный телескоп можно представить как систему пространственно разнесенных фотоприемников (фотоумножители с большой площадью фотокатода или гибридные фотоприемники, как например Квазар–370 в Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ200). Расстояние между фотоприемниками по порядку величины совпадает с длиной поглощения света. Траектория мюона может быть восстановлена по времени регистрации черенковского света фоториемниками с точностью порядка 10. Примерно с такой же точностью при высоких энергиях (> 100 ГэВ) направление движения мюона совпадает с траекторией нейтрино. Нейтрино и, соответственно, мооны от нейтрино пересекают детектор со всех направлений, но отделить мюоны от нейтрино от мюонов, рожденных в распадах пионов и каонов, можно только с направлений из нижней полусферы (из-под Земли). Действительно, только нейтрино может пересечь земной шар и родить мюон вблизи поверхности.

Фотоприемники помещают в стеклянные сферы для защиты от внешнего давления воды. Фотоприемник с дополнительной, необходимой для его работы электроникой (источники высокого напряжения, делитель, предусилитель, светодиод для калибровки), принято называть оптическим модулем. Оптические модули крепятся к вертикальному тросу с буем на одном конце и якорем на другом. Трос с оптическими модулями принято называть гирляндой или стрингом (от англ. string).

Начало обсуждения проекта первого глубоководного нейтринного телескопа относится к середине 70–х годов. Проект назывался DUMAND (Deep Underwater Muon and Neutrino Detection). Предполагалось создать глубоководный нейтринный телескоп в Тихом океане, в 20 км от одного из Гавайских островов. В течение работы над этим проектом был заложен методический фундамент будущих экспериментов, но сам проект не был реализован.

С начала 80–х годов на озере Байкал ведутся эксперименты по глубоководной регистрации мюонов и нейтрино. Толчком к развитию работ на Байкале было замечание А.Е.Чудакова, обратившего внимание на то, что наличие прочного льда на озере Байкал в течение почти 2-х месяцев дает возможность сравнительно просто и дешево проводить работы по развертыванию глубоководной установки. В 1998 году был введен в эксплуатацию Байкальский нейтринный телескоп НТ200 (Belolaptikov et al., 1997) (рис.6). Телескоп расположен в южной части озера на расстоянии 3.6 км от берега. Центр телескопа расположен на глубине 1150 м. Это первый в мире удачный опыт создания глубоководных установок такого масштаба. В настоящее время закончено расширение установки НТ200 до установки НТ200+. В новой конфигурации к телескопу НТ200 добавлены три внешних стринга на расстоянии 100 м от центра НТ200. Чувствительность новой установки к нейтрино сверхвысоких энергий возросла в четыре раза. Начато проектирование глубоководного телескопа объемом  1 км3.

.


Рис. 6: Схематическое изображение телескопа НТ200.

Отдельно показаны 2 пары (4) оптических модулей и электронный модуль (3), образующие структурную единицу телескопа, "связку". 1 – блок электроники детектора, 5,6 – лазеры, используемые для калибровки.


В начале 90–х годов были начаты работы по созданию нейтринного телескопа АМANDA (Anders et al., 2000) на Южном полюсе, на американской станции Амудсен – Скотт. Южный полюс покрыт, как известно, льдом толщиной около 3-х километров. Реализация проекта стала возможной благодаря уникальной методике создания глубоких (2 км !) каналов во льду с помощью горячей воды. Канал замерзает примерно через 2-ое суток и этого времени достаточно для монтажа гирлянды фотоприемников, но поднять и отремонтировать гирлянду уже невозможно. В настоящее время AMANDA состоит из 677 фотоприемников, размещенных на 19 стрингах, и является крупнейшим нейтринным телескопом. Начаты работы по расширения установки до объема в 1 км3 (Spiering, 2004). Новая установка IceCube (рис.7) будет состоять из 4800 оптических модулей на 80 стрингах. Над установкой будет расположена установка IceTop для регистрации широких атмосферных ливней от космических лучей.

Рис.7. Нейтринные телескопы IceCube и Amanda. Установка для регистрации ШАЛ IceTop


Эффективные площади и объемы нейтринных телескопов в естественных средах существенно превышают площади и объемы подземных установок, а энергетический порог существенно выше – 10100 ГэВ. Основные задачи нейтринных телескопов в естественных средах – исследование потока нейтрино высоких и сверхвысоких энергий от космических источников (параграф 7), поиск темной материи (параграф 8), а также поиск экзотических частиц, предсказываемых современной теорией (магнитные монополи, странглеты, Q-боллы)


В таблице 2 приведены характеристики существующих и проектируемых нейтринных телескопов.

Таблица 2. Нейтринные телескопы в естественных средах




ДЕТЕКТОР

Год

Эффективная

Состояние




Ввода

площадь,







в эксплуатацию

тыс.кв.м




Байкал










НТ-36

1993

0.15




НТ-96

1996

0.4-3.0




НТ-200

1998

1.3 - 10.0

В эксплуатации

НТ-200+

2005

40 (E>100 ТэВ)

в эксплуатации

ГВД

?

1000 ( Е>100 ТэВ)

проектируется













DUMAND-II



3 – 20

Работы

(Гаваи)







Остановлены










В 1995 г.

AMANDA










(Южный полюс)










АMANDA B

1997

5-20




AMANDA II

2000

15-50

в эксплуатации

IceCube

2005-

1000

Сооружается




-10



















ANTARES










(Средиземное море)

2006-2007

10-60

Сооружается

























NESTOR

 2007

20

Сооружается

(Средиземное море)





















NEMO


(Средиземное море)

?

1000

проектируется















KM3net

?

1000

проектируется

(Средиземное море)











1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница