Исследование акустического поля, создаваемого в воде пучком электронов с энергией 50 МэВ

1. ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2007 Секция ядерной физики Исследование акустического поля, создаваемого в воде пучком электроновс энергией 50 МэВ 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 нейтриноакустическим методом

3. Почему именно нейтрино? Нейтрино: • Инструмент для изучения механизмов ускорения частиц в энергичных астрофизических источниках, таких как активные ядра галактикивспышки гамма-излучения; • проблема порога ГЗК; • осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино; • возможная роль нейтрино вТемной материи, и др. 10 GeV 1 TeV 1 PeV 1 EeV 1 ZeV(1021 eV)

4. Почему именно нейтрино? Нейтрино: • Инструмент для изучения механизмов ускорения частиц в энергичных астрофизических источниках, таких как активные ядра галактикивспышки гамма-излучения; • проблема порога ГЗК; • осцилляции нейтрино: проблема массы нейтрино; • возможная роль нейтрино вТемной материи, и др. 10 GeV 1 TeV 1 PeV 1 EeV 1 ZeV(1021 eV)

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

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

7. Черенковский метод The telescope will be equippedwith 4000 light detectors µ νµ

8. Акустический метод Высокие энергиималые потоки Необходимы большие объемы детекторов Длина затухания звука ~ 1 км(на 10 кГц) Длина затухания света ~ 50 м Eν > 1015эВ

9. Механизм генерации звука νµ µ В результате взаимодействия нейтрино в воде возникаютэлектромагнитно-адронные ливни Мгновенное выделение теплоты в ограниченном объемедает начало импульсу давления, имеющемубиполярную форму Акустическое излучение распространяется в области, имеющей форму сплюснутого цилиндра

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

11. Акустические эксперименты на ускорителях • 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

12. Ускоритель электронов RTM70 Импульсный разрезной микротрон RTM 70, НИИЯФ МГУ

13. Параметры пучка в эксперименте 2,5 мм 5 мм

14. Моделирование 2.5e+08 2e+08 1.5e+08 1e+08 0.5e+08 0 Энерговыделение, МэВ/мм3 Пространственное распределение средних потерь энергиина единицу объема 40 20 0 -20 -40 Параметры пучка:d = 4 ммE = 50 МэВN = 1011 X, mm Z, mm 0100 200 300 400 500

15. Моделирование 3e+08 2.5e+08 2e+08 1.5e+08 1e+08 0.5e+08 0 dE(X), MeV/mm3 -20-10 0 10 20 X, mm Поперечное распределение средних потерь энергиидля нескольких сечений пучка

16. Схема эксперимента 508 мм Y x гидрофон 523мм 65 мм ЭМ ливень пучок Z Z 945 мм 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

17. Схема эксперимента Сканер(шаг = 4.5 мм) пучок Бассейн100x50x50 cm3

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

19. Блок-схема эксперимента 50 dB 20-200 kHz Усилитель Robotron гидрофон 10 dB 10- 100 kHz Усилитель У7-1 Датчик тока пучка 1 2 Компьютер • Время наблюдения: 1 мс • Частота оцифровки: 10МГц Осциллоскоп Синхроимпульс

20. Результаты эксперимента Сигнал на расстоянииX = 6.5 см от оси пучка, измеренный вблизи заглушки Амплитуда сигнала, В 40 мксR=6 см Время, мкс

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 вдоль трассы, см пучок 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Расстояние от гидрофона до источника звука, (время*1500 м/с), м

23. Результаты эксперимента Расстояние вдоль трассы, см AB:сигнал от ближайшей точки излучающей акустической антенны А пучок В 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Расстояние от гидрофона до источника звука, (время*1500 м/с), м

24. Результаты эксперимента Расстояние вдоль трассы, см C AB:сигнал от ближайшей точки излучающей акустической антенны А CD:источник – область заглушки, через которую пучок входит в воду D пучок В 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Расстояние от гидрофона до источника звука, (время*1500 м/с), м

25. Результаты эксперимента R = Vt + r0 V = (1435 ± 12) м/сек V = (1461 ± 15) м/сек(измерено в калибровочном опыте с пьезоэлектрическим излучателем в качестве источника звука)

26. Результаты эксперимента • Зарегистрировано акустическое излучение от электронно-фотонного ливня, создаваемого пучком электронов в воде; • 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.

27. Дальнейшие планы и задачи • Получение количественных данных; • 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; • подтверждение теплового механизма генерации звука как безусловно доминирующего, изучение возможного вклада других механизмов; • усовершенствование алгоритмов обработки сигналов.