Глубоководный нейтринный детектор ANTARES

Грачева Екатерина

Глубоководный нейтринный детектор ANTARES

ANTARES — один из крупнейших водных детекторов, предназначенный для регистрации мюонных нейтрино от астрофизических источников высоких энергий. Основная проблема при получении информации о потоках нейтрино – их малое сечение взаимодействия и, соответственно, малая вероятность обнаружения. В то же время, детектируя высокоэнергичные космические нейтрино, мы можем получать информацию о скрытых объектах вселенной, которая не доходит до нас, если носителем информации является электромагнитное излучение, легко поглощающееся веществом, или заряженные частицы, отклоняющиеся в слабых межгалактических магнитных полях. Создание телескопа ANTARES позволило изучать удаленные и невидимые в других диапазонах объекты вселенной, такие как квазары, следы сверхновых, черные дыры и др.

Принцип детектирования

Интересующие учёных процессы в удалённых участках космоса сопровождаются выбросом протонов, которые генерируют потоки мезонов (нейтральных и заряженных пионов, K-мезонов, μ-мезонов и др.). Эти частицы, в свою очередь, распадаются на мюоны и соответствующие нейтрино:

π⁺→ μ⁺+ ν_μ,
K^- → μ^-+ ν_μ.

В силу того, что мы имеем дело с большими энергиями, можно считать, что траектории начальных протонов и конечных частиц с большой точностью совпадают, таким образом, по трекам нейтрино можно определить местоположение в пространстве их источника.
Земля является естественным фильтром для всех известных частиц, кроме нейтрино, благодаря упомянутому выше свойству крайне мало взаимодействовать с веществом. Поэтому весь детектор направлен на регистрацию частиц, летящих снизу вверх, пролетающих планету насквозь, посредством того, что все фотоумножители в каждом модуле смотрят вниз под углом 45°.

Рис. 1. Принцип устройства детектора

Схема эксперимента приведена на рис.1. Эксперимент основан на том, что вероятность провзаимодействовать с веществом Земли увеличивается, в силу её протяжённости. В случае, если реакция происходит, конечной частицей взаимодействия с нуклонами является мюон:

ν_μ+ n → p + μ^-,
ν_μ+ p → n + μ⁺.

Поскольку нейтрино почти не имеет массы, оно практически не растрачивает свою начальную энергию, то есть речь идёт о диапазоне 10⁹-10²⁰ эВ. Опять же, можно считать, что родившийся мюон продолжит распространяться в том же направлении, что и образовавшее его нейтрино. Есть немалая вероятность, что этот мюон долетит до воды, не участвуя в реакциях с веществом Земли и при этом попадёт в область, охватываемую детектором (именно поэтому учёные стремятся увеличивать объёмы таких телескопов). При этом он будет испускать Черенковское излучение, которое и будет непосредственно регистрироваться многочисленными фотоумножителями.

Угол раствора конуса света, распространяемого мюоном был вычислен по формуле

cos θ = 1/nβ,

где β = v/c.

    Рассматриваемые частицы — ультрарелятивистские, т.е. β = 1, а коэффициент преломления для воды n=1.35. Получается, что свет с длиной волны 450 нанометров образует конус с углом раствора 42˚. Зная этот угол и последовательность «вспыхнувших» ФЭУ, можно с большой точностью восстановить трек исходного нейтрино.
    Сам детектор расположен в области, в которую проецируется центр Млечного пути, представляющий особый интерес и дающий, теоретически, большие потоки событий, нежели менее плотные участки близлежащей Вселенной.
    Естественным плюсом нейтринного телескопа является отсутствие зависимости удачности эксперимента от времени суток, фазы луны и прочих факторов, с которыми зачастую сталкиваются экспериментаторы на других проектах.

Конструкция телескопа

Конструкция детектора разработана, принимая в расчёт следующие факторы:

Условия окружающей среды в месте установки детектора, влияющие на положение оптических модулей, механическую структуру струн и уровень шума;
дизайн и способ погружения струн;
необходимость в наибольшей отдаче детектора;
требование высокой степени достоверности.

ANTARES располагается в Средиземном море, несколько южнее французского Тулона на глубине около 2,5 километров. Детектор состоит из 12 вертикальных элементов, так называемых линий, закрепленных на морском дне на расстоянии 70 метров друг от друга, и поддерживаемых в вертикальном положении с помощью буя, а также благодаря своей естественной плавучести. Каждая линия несет на себе 75 оптических модулей, расположенных на 25 этажах, с вертикальным шагом между соседними этажами 14,5 метров. Его проекция на морское дно занимает площадь около 0.1 км².

Рис. 2. Схема нейтринного телескопа ANTARES

    Телескоп состоит примерно из 1000 фотоумножителей в 12 вертикальных струнах общей высотой около 350 метров. Схема сверху даёт представление о пространственном размещении детектора под водой.
    Элементарной единицей детектора можно назвать оптический модуль, состоящий из фотоумножителя, различных сенсоров и соответствующей электроники, помещённый в стеклянный корпус, устойчивый к высокому внешнему давлению. Оптические модули сгруппированы, образуя так называемые "этажи" из трёх фотоумножителей, соединённых общим кабелем (см. рис. 3).
    Угловая восприимчивость модулей широка, падает в два раза при значении угла 70^о от его оси. Это означает, что детектор способен фиксировать частицы со всего нижнего полушария с большой эффективностью, и может также регистрировать частицы, летящие сверху. В нижней части области чувствительности фотоумножителей одного оптического модуля перекрываются, что необходимо учитывать при конечной обработке полученных результатов.

Рис. 3. "Этаж" – 3 ФЭУ и локальный модуль управления

    Каждая струна снабжена некоторыми ёмкостями с электроникой. Эта электроника предназначена, в частности, для калибровки телескопа. Она справляется также с задачами чтения показаний сенсоров, отлаживания параметров, включает в себя программы первичной обработки, распределения мощности и часы.
    Индивидуальные блоки электроники соединены кабелями в общий блок. Эта операция была осуществлена при помощи подводной лодки и робота.
    Программа первичной обработки (триггер) необходима для того, чтобы отсекать лишнюю информацию. В противном случае окажется невозможной хранение и обработка данных, детектор просто «захлебнётся». Один из триггеров, например, отфильтровывает события, когда временная разница реагирования ФЭУ соседних этажей не попадает в теоретически рассчитанный диапазон.
     На дне детектора вмонтированы световые источники, предназначенные для калибровки детектора.
    Телескоп находится в рабочем состоянии в течение некоторых циклов. Эти циклы называются ранами (от английского run – пробег). Они могут иметь различную протяжённость во времени, но в среднем ран — это примерно 3-4 часа работы. Существует некоторая классификация ранов. Они подразделяются на физические (physics runs), калибровочные (calibration runs) и пустые (transient runs). О первом типе говорят, когда речь идёт о нормальной работе детектора (т.е. происходит регистрация мюонов); вторые используются для калибровки — проверка работы ФЭУ при помощи лазеров, установленных на дне, фонарей, а также при «нефизических» параметрах работы; последний тип выставляется в случае невозможности сбора данных детектором, например, при высокой биоактивности.
    Отсюда, кстати, можно сделать вывод, что ANTARES может быть использован (и используется) для изучения биологической жизни на дне Средиземного моря.

Хронология

В ноябре 1999 года неподалёку от Марселя была опущена первая пробная струна, давшая первые сигналы от мюонов в 2000 году. В марте 2006 года дала результаты первая рабочая струна, а в сентябре того же года была погружена уже вторая. В январе 2007 года были установлены ещё 3 линии, в то же время было официально зарегистрировано нейтрино и построен его трек. К концу же года число линий увеличилось до 10, а в мае 2008 на главном сайте появилась торжественная надпись «ANTARES detector completed». Несмотря на короткий перерыв в работе детектора, связанный с повреждением кабеля, остальное время он исправно работает, успешно регистрируя нейтрино.

Коллаборация

ANTARES — международный проект. Он представляет собой коллаборацию учёных из многих европейских стран — Франции, Германии, Голландии, Италии, Испании, России и Румынии. С 2008 года в неё включён и Московский Государственный Университет.

Список источников:

Анимация некоторых событий в детекторе