Комаров

Проект NESTOR

Введение

Расположение и строение детектора

    Береговая лаборатория телескопа NESTOR находится на полуострове Пилос, недалеко от греческого побережья.
    Координаты: 36° с.ш., 21° в. д. Морское дно здесь имеет глубину 4000 м на дистанции 15 км от берега. Поблизости имеется впадина с глубиной более 5000 м. Ионийское море очень чистое: синий свет до полного поглощения проходит 55м. Подводные течения были хорошо измерены на протяжении последних десяти лет, и составляют в среднем несколько сантиметров в секунду. Среди трех подходящих мест для установки детектора, местонахождение NESTOR имеет самую большую глубину и, связанные с этим, очень хорошие водные условия, а также самый маленький атмосферный мюонный фон. Несмотря на то, что большая глубина, кажется, не создает дополнительные проблемы аппаратуре (из-за большого давления воды и возможности нарушения герметичности фотоумножителей), она ухудшает материально-техническое обеспечение детектора.

   Концепция NESTOR имеет одно существенное отличие от концепций ANTARES и NEMO, которое заключается в том, что вместо использования дистанционно управляемых аппаратов для подводной кабельной связи, применяется специализированное поверхностное судно (самоходная треугольная платформа DELTA BERENIKE со стороной 51 м). Таким образом, получается, что в ANTARES и NEMO можно восстанавливать только отдельные струны, которые затем необходимо повторно развертывать, используя подводные аппараты. А в проекте NESTOR планируется восстанавливать и повторно развертывать целые опоры, используя для этого треугольную платформу. Другая важная особенность (которая еще не подтверждена практическим опытом) относительно концепции ANTARES - половина оптических датчиков (из-за отложения осадка и обрастания), сконструирована так, чтобы смотреть наверх.

    Множество оптических модулей (ФЭУ HAMATSU R2018-13) телескопа NESTOR собраны на 12 гексагональных  этажах специальной опоры (башни), сделанной из титана. Расстояние между этажами 20-30 м., диаметр этажей - 32 м, а дистанция между опорами - около 150 м. В каждой вершине шестиугольника, и в центре, имеется два ФЭУ-датчика: один смотрящий вверх и другой вниз. Фотоумножители, располагаясь внутри титановых сфер, соединены через электронную схему (она находится в центре этажа) и оптический кабель с наземной базой. Расстояние между сферами на одном этаже - 16 м, диаметр сферы - 17 дюймов. Таким образом, на одной опоре закреплено 168 датчиков и объем исследуемого пространства для одной башни равен 200-300 тысяч м³.

    Каждый фотоумножитель детектора оптически связан с верхним полушарием сферы прозрачным силиконовым гелем, чтобы иметь хорошее оптическое разрешение и механическую защиту от внешних воздействий. Диаметр датчика - 15 дюймов.
    Каждый этаж имеет собственное питание и электронную систему и таким образом независим от других этажей. Подводные электронные преобразователи могут применяться на уровне этажа. Все настройки производятся перед опусканием модуля в море. Если возникает необходимость в ремонте, опору поднимают на поверхность, устраняют неполадки, и опускают обратно в море.

Принцип работы

    При взаимодействии релятивистских мюонных нейтрино с веществом образуется поток быстрых мюонов. Мюоны (оранжевая стрелка) двигаясь в воде с околосветовой скоростью, инициируют черенковское излучение (красные линии), которое регистрируют ФЭУ детектора.
   Длина излучения соответствует синему цвету. На рисунке представлены импульсы от 6 умножителей, которые зафиксировали излучение, созданное мюоном. Сигналы от этих датчиков передаются на обработку в наземную лабораторию по оптическому кабелю. На основании этих данных рассчитывается угол мюонного трека (в данном примере он равен 123 градусам). C помощью ²-минимизации и метода Монте-Карло, используя продолжительность импульсов от ФЭУ, отбираются наиболее интересные события. При этом специальное устройство позволяет уменьшить шум от бета-распада ⁴⁰K.
    Результаты показывают, что такая обработка данных достаточно эффективна. На рабочей глубине детектора(4000 м) горизонтальные или с малыми углами треки мюонов являются хорошими кандидатами на роль нейтринного события.

Передача и обработка научных данных

   В проекте NESTOR датчики используются отдельно от системы обработки, которая находится на берегу. Главный критерий для работы датчика - непрерывная передача данных. Пропускная способность системы передачи данных может быть оценена на основании скорости счета, ожидаемой от отдельного оптического сенсора. Она определяется фоном, произведенным распадами ⁴⁰K, и равняется (для ФЭУ с диаметром 10 дюймов) примерно 50 кГц. Принимая, что каждый такой сигнал представляется 100 битами, получаем скорость передачи данных 5 Mbit/s для каждого оптического модуля, или 25 Gbit/s для 5000 оптических датчиков.

    Коммерчески доступные системы связи, которые предлагают необходимую ширину полосы, существуют и способны осуществить передачу данных до лаборатории. Передача необработанных данных к берегу позволяет не устанавливать сложную подводную электронную систему. Существует лишь небольшое электронное устройство в центре каждого этажа (см. рисунок), которое состоит из двух модулей: научного и служебного.
    Научный блок обеспечивает считывание и синхронизацию сигнала с фотоумножителей, первичную обработку данных с помощью логической схемы, запись, оцифровку и преобразование полученной информации для передачи на берег. А также для перепрограммирования матричных интегральных схем. Служебный модуль необходим для калибровки сигнальной системы, наблюдения за уровнем высокого и низкого напряжений, поступающих на ФЭУ и для мониторинга загрязнения окружающей среды.
    Сторонники подхода, при котором данные в основном обрабатываются на поверхности, основываются на двух преимуществах: во-первых, электронная система не должна соответствовать жестким спецификациям для электроники, установленной под водой (в терминах измерений, надежности и потребления энергии); во-вторых, это она может быть легко модернизирована, чтобы отвечать современным техническим и физическим требованиям. Также полезно вспомнить, что наличие необработанных данных и их архивирование на берегу может потенциально быть интересно для других научных целей, и может оправдывать затраты в этом направлении.

Тестирование установки

   В июле 1991, опытный образец установки - состоящая из титанового сплава, гексагональная структура(7 м. радиус), оборудованная десятью фотоумножителями Hamamatsu, была развернутa на глубине 4.1 км. Шесть ФЭУ были расположены в вершинах шестиугольника, и четыре на 3.5 метра ниже центра. Чувствительная область этого эксперимента была равна 373 ± 75 м². Вертикальная мюонная интенсивность и угловое распределение были измерены на глубинах 3.3, 3.7 и 4.1 км. В ноябре 1992 измерение было повторено с использованием линейной струны из пяти фотоумножителей.
    На рисунке показано, что оба набора измерений находятся в очень хорошем согласии с предыдущими экспериментами. На глубинах между 3.7 и 3.9 км вертикальный мюонный поток - (9.8 ± 4.0)·10^-9cm^-2 s^-1sr^-1. Осенью 1996 два алюминиевых этажа опытного образца и один титановый подвергаются нескольким механическим и исследовательским испытаниям. Этажи были также оборудованы оптическими модулями и электроникой, размещенной в двух титановых сферах и проверенных, вместе с 4.5 км оптическим кабелем, в лаборатории.
    Для питания сфер использовалось постоянное напряжение в 300 Вольт, которое подавалось через проводник, расположенный в оптическом кабеле. Вторым проводником была морская вода. Обе сферы содержали опытный образец системы управления. Были установлены 8 аналоговых каналов для считывания: один для компаса, два для двухмерного уклономера, а остальные пять, чтобы контролировать температуру внутри сферы в нескольких позициях, чтобы измерить нагрев из-за электроники. Общее потребление энергии внутри сферы было равно 250 Ватт. Испытание показало, что температуры в титановых сферах были ниже 30°C для всех электронных компонент.
    В мае 1997 два полностью оборудованных этажа буксировались, со скоростью 1.5 узлов, к местонахождению NESTOR. Они были опущены и присоединены к друг другу на расстоянии 30 м. Якорь и акустический выход были закреплены на дистанции 30 м от нижнего этажа. Структура была погружена на глубину 45 м и соединена с электрооптическим кабелем, который был на борту катера Thales. На следующий день целая система была развернута на глубине 2400 м. Через сутки, система была отбуксирована на 200 м, а потом поднята. При этом осмотр не выявил никаких повреждений конструкции. Местонахождение, выбранное для NESTOR, оказалось идеально для развертывания и надлежащего функционирования нейтринного телескопа.
    В июле 1998 один, полностью оборудованный, NESTOR-этаж, был развернут и проверен на специально оборудованной станции в Заливе Navarino на глубине 40 метров и на расстоянии 4 км от береговой станции. Развернутая структура состояла из центральной титановой сферы, один метр в диаметре, который размещает электронику и шесть титановых рукавов длиной пять метров; в конце каждого рукава была установлена пара зачерненных Оптических Модулей (ФЭУ). Датчик был защищен от дневного света, который является все еще слишком сильным на глубине 40 м. Выше этажа находилась одна светонепроницаемая трубка, через которую могла течь вода. Структура была связана с береговой лабораторией через 4 электрооптических кабеля с четырьмя оптическими волокнами. Эксперименты проводились до середины августа.

Научные эксперименты

    В черной как смоль темноте, на глубине четыре тысячи метров ниже поверхности моря, конус синего черенковского излучения внезапно освещает множество фотоумножителей. Это оставил свой след релятивистский мюон, проходящий через датчик. Был ли это “обычный” случай космического луча, или это был продукт взаимодействия нейтрино с веществом, или это природная радиоактивность воды? Астрономия релятивистских нейтрино - новая и захватывающая область науки. Для поиска таких нейтрино (E = 5-10 TeV) и используется телескоп NESTOR.
   Датчики, схема обработки данных, методы для сигнальной обработки, трековая конструкция, методы для развертывания и обмен полезного груза на глубине 4000 м были хорошо проверены еще в 1998 году. В 2002-2003 годах была построена и установлена упрощенная опора с четырьмя этажами. А к осени 2003 года была полностью собрана и погружена на 4000 м 12-этажная башня. С её помощью до конца года было зарегистрировано около 5 миллионов событий.
     В качестве приоритетных областей исследований с помощью телескопа NESTOR, указывается возможность обнаружения внегалактических точечных источников нейтрино. Отправной точкой для таких наблюдений являются результаты экспериментов EGRET в лаборатории CGRO. В таблице представлены пять источников из каталога EGRET, наиболее многообещающие для проекта.

   Источник 0208-512 был отобран для детального изучения. Мюонный поток в ФЭУ-датчике, был рассчитан, принимая поток нейтрино равным потоку гамма лучей, с тем же самым спектральным показателем, и предполагая, что рабочий цикл для источника равняется 1/3. Нейтриное и мюонное распространение в земле был рассчитаны, используя уравнения переноса. Данные датчика моделировались, моделируемые события были реконструированы и подвергнуты качественной выборке.
     Результат анализа дает для одной опоры эффективную рабочую поверхность около 6600 м2. При уголовом разрешении одной башни в 5 градусов, за год можно идентифицировать 12 событий от источника 0208-51, при фоне меньше, чем 8 событий от ложных мюонных следов и атмосферных нейтрино.

Будущее проекта

  У проекта NESTOR интересное и многообещающее будущее. В 2004 планируется добавить 3 линии DUMAND вокруг опоры. К 2005 году планируется установить 7 опор (башен) и телескоп заработает на полную мощность. Возможно, в дальнейшем будет еще увеличено число башен, а телескоп опустят на глубину 5000 м. Не исключено применение и более чувствительных датчиков.
    Таким образом, при наблюдении высокоэнергетичных нейтрино с помощью данного детектора, можно ожидать появления новых и интересных фактов, которые прольют свет на природу этих загадочных частиц.