1 / 19

Détection Acoustique de Neutrinos de UHE

Détection Acoustique de Neutrinos de UHE. TEL / Astropart. Phys. 26 (2006) 243-256 (astro-ph/0511617). V. Niess LPC, Clermont. L’Effet Thermo-Acoustique (TA). Prédit par Askariyan ( 1928-1997 ) : Atomnya Energiya 3, 8 ( 1957 ), pour la détection de cascades.

chad
Download Presentation

Détection Acoustique de Neutrinos de UHE

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Détection Acoustiquede Neutrinos de UHE TEL / Astropart. Phys. 26 (2006) 243-256 (astro-ph/0511617) V. Niess LPC, Clermont

  2. L’Effet Thermo-Acoustique (TA) • Prédit par Askariyan (1928-1997) : Atomnya Energiya 3, 8 (1957), pour la détection de cascades. • Phénomène connu par ailleurs comme l’opto-acoustique (1880, A.G. Bell) : couplage entre radiation EM (e.i. laser) et acoustique • Apparition à l’Ouest ~1970: DUMAND Workshops A.C. Tam, Rev. Mod. Phys. 58, No. 2 (1986) G.A. Askariyan et al., Nucl. Inst. 164 (1979) 267-278 J.G. Learned, Phys. Rev. D 19, No. 11 (1979) L. Sulak et al., Nucl. Inst, No 161 (1979) 203-217 1ére confirmation expérimentale avec faisceaux de protons ( à l’ouest … ) • Résurgence ~2000 : ANTARES / BAIKAL / ICE CUBE Activités de R&D au près des télescopes à n

  3. Des ‘Thermo-Acousticiens’ UK: ACoRNE ANTARES: AMADEUS (Erlangen) Stanford: SAUND Polygone d’écoute AUTEC Polygone d’écoute RONA NEMO: ONDE / Fibres optiques Baïkal: ITEP / Irkoutsk ICE CUBE: SPATS, CONDOR (hybride) ARENA Workshops: 2005 (DESY Zeuthen), 2006 (Newcastle), 2008 (Roma) www.shef.ac.uk/physics/arena

  4. L’Effet TA en Equations • Acoustique linéaire terme de couplage thermique: Couplage TA • Modèle thermo-acoustique: Justifié à posteriori par décomposition de Fourier 1er ) Relaxation acoustique Dr 2ème ) Diffusion / convection (concurrencé par absorption) (non pertinent car contenu HFsource) Equation d’onde TA avec terme source: Dilatation thermique Densité d’énergie déposée Capacité thermique

  5. Confirmations Expérimentales Lasers Faisceaux protons cuve Faisceau Laser Brookhaven (1976-1978) 32 MeV proton beam Hydrophone Nd:YAG (~100 mJ) La cuve de mesure (@Erlangen) Détecteurs d’ondes gravitationnels L. Sulak et al., Nucl. Inst, No 161 (1979) 203-217 P. Astone et al., Phys. Rev. Lett., 84, 1 (2000) Amplitude signal Varie comme (a/Cp)(T) EAS source de bruit mécanique par effet TA

  6. L’Eau Comme Milieu de Détection • Efficacité TA mesuré par paramètre de Gruneisen: gG ~1  Des ‘J’ donnent des ‘Pa’ Dans l’eau (liquide) H2O : gG avec p, T Dépendance via a principalement stratification verticale • Dans l’eau douce a s’annule à ~4 ºC: •  C’est la température de fond typique des grandes étendues d’eau … • Mers & Océans: a > 0, pas d’inversion mais T défavorable, sauf … • Méditerranée: T ~ 13-14 ºC stable après 100 m  émission TA +30-40%

  7. Différents Milieux de Détection AMADEUS / OnDE ACoRNE / SAUND TAIGA, nouveau ? Abandonné ? SPATS Pergélisol (permafrost) Mer / Océan Mines de sel Glace polaire Force signal  1 5-10 ~100 10 Propriétés acoustiques étudiées par ailleurs: + Infrastructure couteuse - Bruit faible ? - Absorption faible ? Volumes km3 Accessible mais couteux Propriétés acoustiques peu connues: + Développements Instrumentation - Bruit inconnu - Absorption mal connue 0.5-1 km maxi de fond 20% des Terres! Propriétés acoustiques peu connues: + Développement Instrumentation - Bruit inconnu - Absorption mal connue Grand volumes Accès difficile Propriétés acoustiques bien connues par ailleurs: + Instrumentation / Infrastructures + Pluridisciplinarité - Bruyant! - Absorbant ~BF Grand Volumes ~Accessible Baikal propagation d’ondes radio également Lac 0.1 ?? + propagation ~BF

  8. Le Terme Source • Energie macroscopique requise pour signal TA détectable  UHE(1018+ eV) • Emission TA favorisée par dépôt compacte  cascades & milieu dense Candidats ‘naturels’: n de UHE: transparents dans atmosph. / opaque dans Terre • 2 scénarios ‘limite’: - ne, CC: 100 % énergie dans cascades EM & hadronique - nL, CN: ~20 % énergie, en moyenne, dans cascade hadronique • Cascades de UHE (1018+ eV) en milieu dense: pas de données expérimentales simulations numériques + analogies cascades atmosph. (EAS) + extrapol. collisionneurs Ordre de grandeur: ‘Cible fixe’  énergie dans le c.m.

  9. Effet LPM en Milieu Dense LPM : Landau-Pomeranchuk-Migdal Suppression des sections efficaces de Bremsstrahlung et création de paire – par la Diffusion Multiple • Très important en milieu dense et à UHE (suppression causée par la Diffusion Multiple) • Energie seuil: E  ELPM ~1 PeV (H2O) • X0 ~ E1/2 en régime LPM  augmentation de X0 de 1-2 ordres de grandeur à UHE! • sBremsstrahlung & Création Paire ~mbarn @ 1020 eV Création de paire concurrencée par interactions photo nucléaires / ‘ralentissement’ du régime LPM ELPM ~ 1 PeV LPM ‘dur’ non contraint experimentalement ! Incertitude théorique ~2 (ACoRNE, astro-ph/0704.1025)

  10. Cascades de UHE: Profil Longitudinal Cascades EM / ne CC Comportement stochastique à UHE Cascades hadroniques / nL CN p, extrap. GEANT4 Accord ~ EAS cascades EM GEANT 4 + alg. itératif p, Int. photo-nucl. (ACoRNE, astro-ph/0704.1025)

  11. Cascades de UHE: Profil Latéral • Le profil latéral détermine l’amplitude / la cohérence du signal acoustique Principale dépendance selon profondeur cascade, E  100 TeV Variations en loi de puissance cœur Périphérie ( EM ) périphérie Cœur ( EM & hadronique ) LPM • Importance de la zone du cœur: ultra collimation par ‘boost’ relativiste •  Divergence en 1/rn jusqu’à r < 10-4 Rm / Observé au microscope: N. Hotta et al., Phys. Rev. D 22, 1 (1980) • Sous estimé précédemment (~1970) / Signal acoustique réévalué à la hausse par un facteur 2 depuis • Cœur: forme ‘standard’ à E  100 TeV / Dominé par comportement ~zmax en régime LPM

  12. La Propagation • Signal impulsionnel HF: •  Effets de phase prépondérant / Utilisation de techniques de rayons / Réfraction •  Atténuation absorption en 1/r1/2 / Type diffusion • Géométrie asymétrique / cylindrique source: •  Très forte directivité du signal / pertes géométriques faibles Absorption eau de mer renforcée par déplacements équilibre dissociation chimique Réponse impulsionelle B(OH)3 Transition MgS04 1 km MgS04 30 kHz Bonnes propriétés de propagation / difficulté détection

  13. Champ Proche / Lointain 1 km Champ proche source signal EM LPM Hadronique Longeur cascade • Source acoustique cohérente étendue: •  approximation diffraction  non valable Champ lointain • Transition entre conditions de: (dépend de L cascade et distance r) • Champ proche, imagerie point à point de la cascade / émission orthogonal à cascade • Champ lointain, dégradation de l’information sur la source quasi-ponctuelle / Dq = 2*0.5º

  14. Forme du Signal Le signal est une bi-impulsion Zone LPM zone exclue Transition MgS04 • Sa forme dépend de: • La distance r à la source • La longueur L de la source La durée du signal augmente en r1/2 / absorption Le signal se symétrise en conditions de champ lointain Nécessite un détecteur large bande & réponse impulsionelle calibré

  15. Le Bruit ~100 kHz 1 bar @ 1 m Dauphins (échos HF) signal @ 1 km crevette ‘claqueuse’ (prédation) Bruit propre piezo-céramique Bruit ambiant: mesuré en 39-45! (Knudsen) Origine = surface : atténuation avec profondeur?

  16. Sensibilité Limites de sensibilité pour 1 hydrophone ‘étalon’ sur le site d’ANTARES ( 2500 m de fond, hydrophone à 448 m de hauteur, 1 d’observation ) Limite sur un flux en 1/E2:  1 an effectif d’observation Compétition entre volume sonore qui croit avec E et flux qui décroit La sensibilité augmente avec E! Jusqu’à venir ‘buter’ sur les limites du milieu … C’est aux énergies extrêmes ~1021+ eV que la méthode apparait le plus efficace

  17. Solitons à l’embouchure de Gibraltar (Octobre 1984, Challenger 6). Des ondes internes sont générées à une profondeur de 60 à 80 m, sous l’effet des marées, à la rencontre des eaux plus douces et légères de l’Océan Atlantique et des eaux plus denses et salées de la Méditerranée. La distance séparant 2 trains d’ondes sucessifs est de 60 km, leur périodicité de 24 h.

  18. Effets aux Limites Hauteur d’eau H: 2-4 km  limitations fond / surface importantes r~10 km • Réflexion surface interface eau/air: totale mais rugosité / bulles • Réflexion fond: variable selon roches ( 3-20 dB )  perte de cohérence HF Réfraction  rotation d’ensemble du front d’onde Rayon courbure Rc ~ 90 km Perte d’efficacité Fond / Surface: (signal ‘perdu’ par réflexion) e : réduction du volume sonore Ombre acoustique Champ proche (disque) Perte d’efficacité par Ombrage acoustique Champ lointain (section de sphère) Modélisation géométrique des signaux r  100 km: inhomogénéités latérales Rayons chaotiques / perte de cohérence

  19. Reconstruction: Antennes Acoustique • L’efficacité de détection en coïncidence décroit avec l’espacement d entre hydrophones: S = 1-10 m z (448 m)  Une détection efficace doit être locale utiliser des événements non contenus … • La majorité des événements détectés sont distants:  Localement le front d’onde est plan • 4 hydrophones: reconstruction par mesure de temps d’arrivée de la direction locale du signal (Dn~1º) et de sa vitesse (Dcs~3 m/s / 0.2 %) • Mesure précise de cs  critère fort sur la nature acoustique du signal • La cascade est orthogonale à la direction du signal / réfraction ~ 0.5 º / km • Energie distance r à la source: estimation par durée du signal Dt ~r1/2/ ondes P & S dans les solides ?

More Related