Исследование акустического поля, создаваемого в воде пучком электронов с энергией 50 МэВ ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2007 Секция ядерной физики В.Б. Бычков, - презентация

1 Исследование акустического поля, создаваемого в воде пучком электронов с энергией 50 МэВ ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ Секция ядерной физики В.Б. Бычков, В.С. Демидов, Е.В. Демидова, А.Н. Ермаков, О.Д. Ершова, Б.С. Ишханов, В.П. Масляный, А.Ю. Соколов, Н.А. Халдеева Москва, 2006 НИИЯФ МГУ

2 Зачем это нужно? Явление генерации звука каскадами частиц Регистрация нейтрино акустическим методом

3 Нейтрино: Инструмент для изучения механизмов ускорения частиц в энергичных астрофизических источниках, таких как активные ядра галактик и вспышки гамма- излучения; Инструмент для изучения механизмов ускорения частиц в энергичных астрофизических источниках, таких как активные ядра галактик и вспышки гамма- излучения; проблема порога ГЗК; проблема порога ГЗК; осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино; осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино; возможная роль нейтрино в Темной материи, и др. возможная роль нейтрино в Темной материи, и др. Почему именно нейтрино? 10 GeV 1 TeV 1 PeV 1 EeV 1 ZeV (10 21 eV)

4 Нейтрино: Инструмент для изучения механизмов ускорения частиц в энергичных астрофизических источниках, таких как активные ядра галактик и вспышки гамма- излучения; Инструмент для изучения механизмов ускорения частиц в энергичных астрофизических источниках, таких как активные ядра галактик и вспышки гамма- излучения; проблема порога ГЗК; проблема порога ГЗК; осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино; осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино; возможная роль нейтрино в Темной материи, и др. возможная роль нейтрино в Темной материи, и др. Почему именно нейтрино? 10 GeV 1 TeV 1 PeV 1 EeV 1 ZeV (10 21 eV)

5 Особые свойства нейтрино малое сечение взаимодействия нейтрино с веществом малое сечение взаимодействия нейтрино с веществом нулевой электрический заряд нулевой электрический заряд + Сложности: малое сечение взаимодействия малое сечение взаимодействия малые потоки при высоких энергиях малые потоки при высоких энергиях Необходимы детекторы больших объемов –

6 Два метода детектирования Черенковский Детектирование черенковского излучения вторичных мюонов 1 Акустический Детектирование звуковых волн от каскадных ливней 2

7 The telescope will be equipped with 4000 light detectors Черенковский метод µ νµνµ

8 Акустический метод Высокие энергии малые потоки Необходимы большие объемы детекторов Длина затухания звука ~ 1 км (на 10 кГц) Длина затухания света ~ 50 м E ν > эВ

9 Механизм генерации звука µ νµνµ В результате взаимодействия нейтрино в воде возникают электромагнитно-адронные ливни Мгновенное выделение теплоты в ограниченном объеме дает начало импульсу давления, имеющему биполярную форму Акустическое излучение распространяется в области, имеющей форму сплюснутого цилиндра

10 SAUND (Stanford University, California) SAUND (Stanford University, California) NEMO (INFN Genova, Italy) NEMO (INFN Genova, Italy) ANTARES (University of Erlangen, Germany) ANTARES (University of Erlangen, Germany) ACORNE (University of Sheffield, UK) ACORNE (University of Sheffield, UK) HT-200 (Байкал) HT-200 (Байкал) НИИЯФ МГУ НИИЯФ МГУ Научные группы

11 Акустические эксперименты на ускорителях Явление генерации звука каскадами частиц можно смоделировать в лабораторных условиях – эксперименты на ускорителях в интенсивных пучках p и ē Явление генерации звука каскадами частиц можно смоделировать в лабораторных условиях – эксперименты на ускорителях в интенсивных пучках p и ē НИИЯФ МГУ: изучение акустических эффектов, возникающих в воде при прохождении пучка электронов НИИЯФ МГУ: изучение акустических эффектов, возникающих в воде при прохождении пучка электронов

12 Ускоритель электронов RTM 70 Импульсный разрезной микротрон RTM 70, НИИЯФ МГУ

13 Параметры пучка в эксперименте Энергия электронов 50 МэВ 50 МэВ Длительность импульса 8 мкс 8 мкс Частота повторения импульсов 10 Гц 10 Гц Пространственные размеры сечения пучка Средний ток пучка 2 мА 2 мА Суммарное энерговыделение в импульсе 5·10 18 эВ 5·10 18 эВ 2,5 мм 5 мм

14 Моделирование X, mm Z, mm Пространственное распределение средних потерь энергии на единицу объема 2.5e+08 2e+081.5e+081e+080.5e+080 Энерговыделение, МэВ/мм 3 Параметры пучка: d = 4 мм E = 50 МэВ N = 10 11

15 Моделирование Поперечное распределение средних потерь энергии для нескольких сечений пучка dE(X), MeV/mm 3 X, mm 3e e+08 2e+081.5e+081e+080.5e+080

16 Схема эксперимента 945 мм пучок гидрофон Y Z ЭМ ливень Гидрофон перемещался вдоль линейных трасс с шагом 4.5 мм. Далее представлены результаты измерений на трассе, проходящей на расстоянии X = 6.5 см от оси пучка 508 мм Z x 65 мм 523 мм

17 Схема эксперимента пучок Сканер (шаг = 4.5 мм) Бассейн 100x50x50 cm 3

18 Широкополосный (до 160 кГц) высокочувствительный (> 1мВ/Па) гидрофон на основе пьезокерамики с тангенциальной поляризацией Гидрофон 3,5 см

19 Блок-схема эксперимента Усилитель Robotron 50 dB kHz гидрофон Датчик тока пучка Усилитель У dB kHz Осциллоскоп Время наблюдения: 1 мс Частота оцифровки: 10 МГц Синхроимпульс 1 2 Компьютер

20 Сигнал на расстоянии X = 6.5 см от оси пучка, измеренный вблизи заглушки Результаты эксперимента Амплитуда сигнала, В Время, мкс 40 мкс R = 6 см

21 Результаты эксперимента Вычисление тока пучка для каждого измерения Нормировка сигналов на 1 мА тока пучка Временные зависимости сигналов построены друг под другом с шагом, равным расстоянию между точками измерений

22 Результаты эксперимента Расстояние от гидрофона до источника звука, (время*1500 м/с), м Расстояние вдоль трассы, см пучок

23 Результаты эксперимента Расстояние от гидрофона до источника звука, (время*1500 м/с), м Расстояние вдоль трассы, см AB: сигнал от ближайшей точки излучающей акустической антенны А В пучок

24 Результаты эксперимента Расстояние от гидрофона до источника звука, (время*1500 м/с), м Расстояние вдоль трассы, см AB: сигнал от ближайшей точки излучающей акустической антенны А В CD: источник – область заглушки, через которую пучок входит в воду D C пучок

25 Результаты эксперимента R = Vt + r 0 V = (1435 ± 12) м/сек V = (1461 ± 15) м/сек (измерено в калибровочном опыте с пьезоэлектрическим излучателем в качестве источника звука)

26 Зарегистрировано акустическое излучение от электронно-фотонного ливня, создаваемого пучком электронов в воде; Зарегистрировано акустическое излучение от электронно-фотонного ливня, создаваемого пучком электронов в воде; получена детальная пространственно-временная зависимость акустического поля; получена детальная пространственно-временная зависимость акустического поля; разделены сигналы из области выделения энергии электромагнитным ливнем и из области заглушки, через которую пучок входит в воду. разделены сигналы из области выделения энергии электромагнитным ливнем и из области заглушки, через которую пучок входит в воду. Результаты эксперимента

27 Дальнейшие планы и задачи Получение количественных данных; Получение количественных данных; реконструкция формы излучающей области и параметров каскада по зарегистрированным сигналам; реконструкция формы излучающей области и параметров каскада по зарегистрированным сигналам; измерения при разных значениях диаметра пучка, энергии частиц, длительности импульса. Изучение зависимости характеристик поля от этих параметров; измерения при разных значениях диаметра пучка, энергии частиц, длительности импульса. Изучение зависимости характеристик поля от этих параметров; подтверждение теплового механизма генерации звука как безусловно доминирующего, изучение возможного вклада других механизмов; подтверждение теплового механизма генерации звука как безусловно доминирующего, изучение возможного вклада других механизмов; усовершенствование алгоритмов обработки сигналов. усовершенствование алгоритмов обработки сигналов.