Radio detection of ultra-high energy neutrinos in Antarctica

Dave Besson, University of Kansas

Kansas

Nebraska

Colorado Missouri

Oklahoma

нейтрино расследование в Антарктике средства регистрация излучение черенкова в диапазонe радио

2 образцы:

RICE-``Radio Ice Cherenkov Experiment’’ (расположенно Южном полюсе, глубина 100-300 m, 1995-)

ANITA-``Antarctic Impulsive Transient Apparatus” (воздушный шар 38 km над материк, прототип 2004; главный полёт 12/2006)

Cosmic Cosmic Ray Ray

spectrumspectrum

Atmospheric neutrinos

Extragalactic flux Extragalactic flux sets scale for manysets scale for manyaccelerator modelsaccelerator models

конечная цель: соединиться спектра Заряженный, , и нейтрины измеренно на земле

UHECRs

• сущность задач:– расстояние между столкновениамы (E>1020 eV) ограниченно иээа

взаимодействие с CMB (photoproduction):

– pCMBp(“ГЗК”)

– средняя длина свободного пробега ~ 10 Mpc ощушителност к процессамы в последний 30 M г!

– B нижний энергий (1017-18 eV), реакциы как pCMBpe+e- истощается протонны

– подобный ограничение для регистрация гамма (CMBe+ e-)

• решение: нейтрино астрономия– слабая взаимодействие40 Gpc m.f.p. Лдя Z-burst!

– однако, c.в. + незначительный поток @ ZeV (1/km2/century) вынуждается громадный нейтрино мишень (100-1000 km3)

• “общепринятый” подход: PMT’s (AMANDA, Baikal, Antares, IceCube, Nestor, NEMO, SuperK): длина поглощение/рассеяние приближённо 40 m.

• радио длина поглощение в лёд2 km (измерение 2004); акустический затухание оценивано: 10 km!! (SPATS 2006)

c радиоприёмникы, измерит радио диапазона (в противоположность оптический черенкова излучение) : “Radio Ice Cerenkov Experiment”

Байкал! превосходный реконструкция мюон от NN’

Baikal

Baikal

длина поглощение/рассеяние

эффективный объём (каскады) и эффективный площадь (muons)

РАДИО-НЕЙТРИНО ДЕТЕКТОРЫпервый экспериментальный шаг – INR

(Восток) Latten~2 km (500 MHz) (1985-1990);

Тоже измереннo радио щум и фон – обе приемлемый

измерение прозрачность лда

(январь 2004, South Pole)

радио эхо обнаруживаемый сквозь 5.6 km. Лда!

Bedrock/2850mBarwick, Besson, Gorham, Saltzberg, J. Glac. 2005

“РАДИО КОГЕРЕНЦ” (АСКАРЯН, 1961, 1962): Выгодно измерить ливень в диапазоне радио

e+N -> e- + X• UHE e- вызывается

электромагнитный каскад (bremsstrahlung, pair production, Compton, Bhabha, Moller, photoelectric effect…)

• избыток отрицательный заряженные частиц развивается (например, из-за e+ потер)

• каждый частиц является источником черенкова излучение…

В коротких волнах, получено сигнал= некогерентная сумма всех волнах

В длинные волны (>Rmoliere), получено сигнал = когерентная сумма всех волнах

Rmoliere

~10 cm

E() – Provorov/Butkevich (INR) vs. ZHS vs. AVZ

пучок электронов в SLAC - прямой наблюдение A. действие (~2GHz)

• Measured pulse field strengths follow shower profile very closely• Charge excess also closely correlated to shower profile (EGS simulation)

Sub-ns pulse,Ep-p~ 200 V/m!

моделирующее

2GHz data

Is it coherent Cherenkov radiation? Yes!

• Observed: •100% linearly polarized pulses• Plane of polarization exactly aligned with plane of S and U

Reflection from side wall

2.2 GHz data:

100%polarized

In properplane

Cherenkov radiation predictions:• 100% linearly polarized• plane of polarization aligned with plane containing Poynting vector S and particle/cascade velocity U

USE

измерение плоскость поляризация

Coherence and absolute field strength

• No departures from coherence• field strength ~ N ~ shower energy• tested over a factor of ~20 in energy

• Frequency dependence also as expected for coherent Cherenkov:

E ~ dup to ~2GHz

2.2 GHz all antennas

FullCoherence

Cherenkovcurve

Сравнение оценкы эффективный объём: радио / оптический

17 радиоприёмникы (400 MHz)

12 cm

RICE-AMANDA-SPASE (South Pole)

RICERICE

SPASE

RICE: 17 радиоприёмник – 200-500 MHz

Receivers (Rx)

Черенков конус

радиопередатчик регистрация и калибровка

известный Tx глубина

Точкы=вычисленный глубина

разрешение ухудшается с

расстояню

симуляция угольный разрешение; dE/E~1

RICE эффективный объём (каскады)

первый событие (Feb 11, 1999)

Rx близко поверхность

глубокий

канал

источникы=щум от поверхность

Z-burst

ANITAANITA concept: наблюдение лёд с шара - эффективный объём~103 km3-sr

ANITA эксперимент

• Декабр, 2006: запускать воздушный шар над Антарктикой - летит высоте 38 км, 15-дней

• чувствительный элементы (“детекторы”=радио антенны) пристально разглядывать в поверхность в поиск радио-волны в результате столкновение (коллизия) космические лучи (нейтрино) c лдом. (лёд = мишень для частиц)

++ BOCTOKBOCTOK

полёт шар: (38 км – 2 gm/cm2 / 15-дней)

Вешание испытание (Fort Sumner, New Mexico, USA);

испытание с пучком (SLAC: june 26-july 3)/лёдная мишень

запуск : 1 dec. 2006

испытательный пуск (15.12.03)

После выпуска

В будущем…

• Ещё нужно 100 увеличение

эффективный-объём-живая-время • русская станция Восток предпочтительный Южному

полусу:– 25% глубже лёд (больше мишень)

– Холоднеепрозрачнее!

– Меньще антропогенический шум

проект сеичас приготавливаеться устраивать радио детектор в востоке (NSF 06589 – подержка международныи проекты)– (заинтересованный личносты можно разговаривать c мной о

подробностах)

заключительный замечание:

способ радио (и акустические) представлает возможность измерение нейтрино, монополы, редкий экзотический частиц, а больше всево представляет прыжок в неизвестност…

акустический регистрация нейтрино

ITEP Moscow IV.I. Albul et al. Instr. and Exp. Techn. 44 (2001)327

beam: ITEP Moskau125MeV, 200 MeV p target : H2Odetector: hydrophone

Am

pli

tud

e

Am

pli

tud

e

Proton beam

Time [mks]

Ethr 1016 eVP [dyn] = 2.3*10-14 Eb

0.78 [eV]

P

Proton beam measurements Acoustic signal simulation

Acoustic Detection of Ultra-High Energy Neutrinos

a -2004, June 18, 2004 Rolf Nahnhauer – DESY Zeuthen 25

An example of detected sound(hydrophones H1-H4,G7,G8)

Level o f acoustic no iseat Baika l for time period from 29 M arch to 2 April of 2002 yearH ydrophones of the antenne : #1(depth 3 m ) #2(depth 8 m ) #3(depth 13 m) #4(depth 18 m)and remote hydrophone : #5 (depth 3 m )

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Time, [current files]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

me

an a

mp

litu

de

of s

ign

als

, [co

un

ts]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

мП

а

Acoustic noise from Baikal water

/rad

sin

3 “clusters” = 90º surface noise = 0º ??? = -10º ???noise channeling below ice due to temperature gradient ?

time/msec

EASITEP Moscow II

piezo: -180 dB

Sensitive hydrophone manufacturing Experiments at Lake Baikal

a

a -2004, June 18, 2004 Rolf Nahnhauer – DESY Zeuthen 26

GZK событие / гибрид детектор (c. 2011)

Сигналы нетоценивать

пределы (сплошной) на моделы

(пунктирная)

GZK nu models

распространённый GRB поток

Waxman-Bahcall метод расчёт нейтрино поток от GRB’s