Акустические методы детектирования нейтрино Орлов М.В. Научные руководители:

реклама
Акустические методы
детектирования нейтрино
Орлов М.В.
Научные руководители:
К.ф-м.н. Широков Е.В.
Проф. Деденко Л.Г.
Нейтрино: откуда
солнечные
атмосферные
галактические
космические
солнечные
Солнце: полностью построена модель. Основное выделение нейтрино
в реакции превращения восьми протонов в две альфа-частицы. В
основном нейтрино с энергией <0.42МэВ, значительно меньше 0.86
Мэв и <14МэВ. Известно энерговыделение Солнца, поэтому можем
посчитать предполагаемый поток нейтрино на Земле.
атмосферные
В верхних слоях атмосферы космические лучи сталкиваются с ядрами.
Рождение мезонов. Заряженные пионы при распаде дают мюоны и
мюонные нейтрино. Мюоны дополнительно распадаются на электроны
и нейтрино двух ароматов, то есть мюонных нейтрино должно быть в
два раза больше.
Однако ожидаемые потоки нейтрино не соответствуют реальным.
Теория осцилляций: изменение аромата нейтрино при движении.
Доказан факт существования эффекта, но нет чёткой численной
модели.
галактические
В нашей галактике известно несколько объектов, ускоряющих ионы до
высоких энергий. Тот же эффект, что и в атмосфере Земли: рождение
фотонов и нейтрино. Потоки известны.
космические
Все внеземные источники. Множество теорий: эффект ГЗК, ядра
активных
галактик,
молодые остатки сверхновых,
распад
топологических дефектов и т.д.
При этом:
• Отсутствие чётких предсказаний энергий и потоков
• Нейтрино как идеальная частица: не взаимодействует с веществом и
не отклоняется магнитными полями
• На данный момент отсутствие каких-либо чётких экспериментальных
данных
• Теоретические пределы на потоки меньше возможностей
современных установок
Как ловить?
Три типа реакций:
• Нейтрино + нуклон → лептон + адрон
• Упругое рассеяние на лептоне
• Упругое рассеяние на нуклоне
Вторая и третья – только в области поиска осцилляций. Основная
реакция для нейтринной телескопии первая. Блокируем приходящие
частицы, полагая, что все идущие снизу имеют нейтринное
происхождение.
Методы детектирования
черенковский свет
радиоизлучение
акустические волны
Особенности акустического метода
• Черенковский метод разработан и популярен в настоящее время.
Эксперименты на системах гидрофонов проводились в проекте SAUND
с 2003 года. Нет устоявшихся наработок.
• Длина затухания сигнала в воде для максимальной частоты
составляет около километра, в то время как Черенковский свет затухает
в течение ~70 метров. Как следствие более дешёвые установки.
• Новые телескопы ANTARES, NEMO, IceCube разрабатываются с
приоритетом оптического детектирования, но тем не менее, в них
существуют проекты по установке гидрофонов.
• Пиковые частоты: 8 килогерц для океана, 20 для льда и 42 для солей.
• Для нейтрино энергии 1020 электронвольт подавляющая часть энергии
выделится в цилиндре длиной 10 метров и радиусом 20 сантиметров.
Гибридный метод Л. Деденко
Цель: смоделировать акустическое поле от нейтрино
ультравысокой энергии.
Проблема: прямые вычисления требуют очень большого
машинного времени.
Решение: использовать разные подходы для разных
диапазонов энергии.
Состояние: грубые приближения, требуется использование
более точных методов.
Энергии > ELPM~1015эВ
Эффект
Ландау-Померанчука-Мигдала,
уменьшение
сечений физических процессов у быстрых частиц.
Усреднение неравномерностей с помощью метода МонтеКарло.
Монте-Карло
ELPM
Энергии > Ethr=1010эВ
Линейный метод транспортных уравнений. Нижний предел
по энергии обусловлен увеличением количества частиц,
удалённых от центра пучка.
Транспортные
уравнения
Ethr
Монте-Карло
ELPM
Энергии вплоть до нуля
Снова моделирование методом Монте-Карло. На этот раз с
помощью
Geant4.
Построение
усреднённых
распределений энергии и последующее их интегрирование
с функциями источника.
Транспортные
Монте-Карло
уравнения
Ethr
Монте-Карло
ELPM
Получение конечного
распределения энергии
Монте-Карло
Транспортные
уравнения
Монте-Карло
Структура метода
Нейтральные пионы распадаются
с испусканием двух фотонов
Распределение
энергии
Э/м ливень
Расчёт
акустического
поля с помощью
уравнения
Пуассона
МонтеКарло
(Geant4)
Электромагнитный ливень
Транспортные
уравнения
Ethr
МонтеКарло
ELPM
Моделирование в нижнем
диапазоне энергий
Делается с помощью библиотеки для моделирования
прохождения
частиц
через
вещество
Geant4,
разработанной в CERN’е. Для решения соответствующей
задачи написана программа на C++, работающая в
операционной системе Linux.
Идеология Geant4
Управляющий класс
Конструкция детектора
Используемые
процессы
Начальные частицы
Выборка данных
Что моделируется
Написанная программа
Типичная структура программы на Geant4
Чтение настроек из
файла и из
командной строки
Сохранение
результатов в
текстовые файлы
Написанная программа
Возможности:
• Свободное изменение параметров без перекомпиляции
• Запись каждого моделирования в отдельный файл
• Выбор из разных электромагнитных моделей
• Изменение размеров цилиндра моделирования , энергии
и прочего
• Отдельные программы для усреднения результатов и
построения графических файлов
Что это даёт:
• Возможность автоматизации путём варьирования
параметров в цикле с помощью командных файлов Linux
• Надёжность работы
Одно событие 10 ГэВ
10 событий
70 событий
500 событий
1000 событий
5000 событий
Статус программы
• Отлажена и работает
• Получены распределения энергий для
разных электромагнитных моделей и
разных начальных энергий частиц
• Нужно понять, какой моделью
пользоваться, удостовериться в истинности
результатов
Планы и перспективы
• Построить целостную реализацию
предложенного гибридного метода
• Получить первые результаты
• Разобраться в возможностях ускорения
работы путём аппроксимации библиотеки
данных какими-либо функциями
Скачать