научная статья по теме СТАТУС БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Физика

Текст научной статьи на тему «СТАТУС БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 5, с. 682-684

УДК 539.123

СТАТУС БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

© 2009 г. В. М. Айнутдинов1, А. В. Аврорин1, В. A. Балканов1, И. A. Белолаптиков4, Д. Богородский2, Н. M. Буднев2, Р. Вишневски5, O. Н. Гапоненко1, К. В. Голубков4, O. A. Гресс2, Т. И. Гресс2, О. Г. Гришин2, И. A. Данильченко1, Ж. -A. M. Джилкибаев1, Г. В. Домогацкий1, А. А. Дорошенко1, А. Дьячок2, В. А. Жуков1, A. M. Клабуков1,

A. И. Климов8, К. Конищев4, А. Кочанов2, A. П. Кошечкин1, Л. A. Кузьмичёв3,

B. Ф. Кулепов6, Д. А. Кулешов1, Е. Мидделл5, M. Б. Миленин6, Р. Р. Миргазов2,

C. П. Михеев1, E. A. Осипова3, A. И. Панфилов1, Л. В. Паньков2, Г. Л. Паньков2, Д. А. Петухов1, E. Н. Плисковский4, В. А. Полещук1, E. Г. Попова3, П. Г. Похил1,

В. В. Просин3, M. И. Розанов7, В. Ю. Рубцов2, О. В. Суворова1, Б. A. Таращанский2, С. В. Фиалковский6, Б. А. Шайбонов4, А. А. Шейфлер1, К. Шпиринг5, И. В. Яшин3

E-mail: djilkib@pcbai10.inr.ruhep.ru

Приведен краткий обзор современного статуса Байкальского глубоководного нейтринного эксперимента и представлены результаты исследования природного потока нейтрино высоких энергий.

ВВЕДЕНИЕ

Нейтринный телескоп НТ200 функционирует на оз. Байкал с апреля 1998 г. [1]. В 2005 г. в состав детектора были включены три дополнительных гирлянды оптических модулей (ОМ), что позволило более чем в 4 раза увеличить эффективный объем регистрации нейтрино высоких энергий. Основные результаты, полученные из анализа данных НТ200, относятся к поиску сигнала от природного диффузного потока нейтрино, нейтринного сигнала от аннигиляции WIMP в центре Земли, поиску магнитных монополей и регистрации атмосферных нейтрино [2]. В рамках работ по разработке проекта нового нейтринного телескопа ку-бокилометрового масштаба на оз. Байкал в 2008 г. осуществлен монтаж прототипа гирлянды такого детектора. В настоящее время ведутся набор и анализ экспериментальных данных.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗНОГО ПОТОКА НЕИТРИНО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Эксперименты на Байкальском нейтринном телескопе [3] и на телескопе AMANDA [4] позволили

1 Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва.

2 Иркутский государственный университет.

3 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

4 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

5 DESY-IfH, Zeuthen, Germany.

6 Нижегородский государственный технический университет.

7 Государственный морской технический университет, Санкт-Петербург.

8 РНЦ РФ "Курчатовский институт", Москва.

получить наиболее сильные ограничения на величину диффузного потока нейтрино и апробировать ряд теоретических моделей генерации космических лучей в источниках. Стратегия поиска событий от нейтрино высоких энергий в НТ200 основана на регистрации черенковского излучения ливней высоких энергий, генерируемых в вершинах нейтринных взаимодействий в большом водном объеме под установкой. Такой подход позволяет существенно подавить фон от атмосферных мюонов. В настоящей работе приведены результаты нового анализа данных детектора НТ200, основанного на полном восстановлении энергии и пространственно-угловых координат ливней.

За период с апреля 1998 г. по февраль 2003 г. (1038 дней эффективного набора данных) было зарегистрировано 3.45 ■ 108 событий по основному триггеру НТ200. Для дальнейшего анализа отбирались события с числом сработавших каналов N > > 17 и удовлетворяющих специальному условию отбора, позволяющему выделять события от ливней, генерируемых под установкой. Угловое и энергетическое распределения ливней, полученные после восстановления экспериментальных событий, согласуются с ожидаемыми распределениями для ливней от атмосферных мюонов. Энергии ливней с направлением распространения сверху вниз распределены в области Е < 100 ТэВ. Восемь событий восстановлены как ливни из нижней полусферы в области энергий Е < 10 ТэВ. Число и энергетическое распределение этих восьми событий соответствует ожидаемому числу событий от атмосферных мюонов и обусловлено неточностью процедуры восстановления.

СТАТУС БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

683

Исходя из этого результата и выбирая соответствующие критерии отбора нейтринных событий, можно получить ограничение на поток нейтрино высоких энергий. В качестве дополнительных критериев отбора нейтринных событий нами использовались ограничения на энергию ливня: E > > 100 ТэВ (для нейтрино сверху) и E > 10 ТэВ (для нейтрино снизу). Полученное нами ограничение на число событий в эксперименте на 90%-ном доверительном уровне равно 2.4, а предел на величину изотропного диффузного потока нейтрино со спектром E2 составляет

E2F < 2.9 ■ 107 см2 ■ с1 ■ ср1 ■ ГэВ. (1)

На рисунке приведены экспериментальные ограничения на диффузный поток высокоэнергичных нейтрино, полученные в экспериментах Байкал (данная работа), AMANDA [4] и MACRO [5]. Кроме того, на рисунке приводятся ожидаемые потоки атмосферных нейтрино от распада п-Д-мезонов [6] с окологоризонтального и вертикального направлений vatm (верхняя и нижняя кривые) и от распада чармированных частиц [7] (кривые vpr). Линии B, MPR и WB соответствуют теоретическим ограничениям на величину допустимого диффузного потока нейтрино, полученным в [8-10]. Кривые TD и NMB соответствуют предсказаниям на величину диффузных потоков нейтрино от топологических дефектов [11] и от адронных каскадов, развивающихся в аккреционных дисках квазаров [12].

Ограничение (1) на величину диффузного потока нейтрино, наряду с ограничением, полученным в эксперименте AMANDA, является наиболее сильным из существующих в настоящее время экспериментальных ограничений.

2. ПРОТОТИП

ГИРЛЯНДЫ ДЕТЕКТОРА НТ1000

Для разработки проекта нового нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба на оз. Байкал в 2008 г. был осуществлен монтаж прототипа гирлянды - основного конструктивного элемента

будущего детектора. Цель этих работ - оптимизация конфигурации телескопа, выбор типа фотоприемников и проведение натурных испытаний основных элементов установки: новых оптических модулей и электронных узлов систем сбора и обра-

ботки данных, созданных на основе новых технологий. Прототип гирлянды был установлен на расстоянии 64 м от установки НТ200 на глубине

1165 м. Прототип гирлянды содержит шесть оптических модулей (ОМ) нового типа, блок аналого-цифровых преобразователей на базе FADC (200 МГц) и светодиодную калибровочную систему. В новых оптических модулях используются фотоумножители (ФЭУ) двух типов: Photonis XP1807 c диаметром фотокатода 12 дюймов и

Экспериментальные и теоретические ограничения на диффузный поток нейтрино высоких энергий и теоретические предсказания величины диффузного потока для некоторых моделей источников (см. текст).

Hamamatsu R8055 с диаметром 13 дюймов. Сигналы с диодов ФЭУ поступают по коаксиальным кабелям длиной до 60 м на блок FADC, в котором измеряются формы импульсов во временном окне 5 мкс и формируется триггер гирлянды. Данные с FADC передаются по подводной линии Ethernet в компьютер гирлянды, где они сжимаются для передачи в Береговой центр по 6-километровой линии связи на основе DSL-модемов. Для амплитудной и временной калибровки гирлянды используется светодиодная система, расположенная в отдельной глубоководной сфере. Световые импульсы с регулируемой амплитудой и задержкой поступают на фотоумножители по оптоволоконным кабелям калиброванной длины. Управление работой как калибровочной системы, так и оптических модулей осуществляется компьютером гирлянды по линии связи RS-485.

Прототип гирлянды регистрирует события совместно с установкой НТ200+ с апреля 2008 г. В настоящее время осуществляется обработка экспериментального материала, полученного за три месяца экспозиции. За этот период был проведен также ряд методических экспериментов с лазерным и светодиодным калибровочными источниками света для исследования временных и амплитудных параметров регистрирующей системы гирлянды. Предварительная обработка лазерных данных

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 < 5 2009

8*

684

АЙНУТДИНОВ и др.

указывает на практически равную эффективность регистрации фотоумножителей XP1807 и R8055, используемых в качестве светочувствительных элементов гирлянды. Светодиодная калибровка позволила измерить в реальных условиях один из основных параметров регистрирующей системы -временное разрешение каналов. Среднее по шести каналам значение разрешения составило величину около 2.5 нс. В целом результаты предварительной обработки данных указывают на корректную работу всех основных элементов прототипа гирлянды будущего детектора.

Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ, Министерства науки и образования Германии, Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 08-02-00432, 08-02-10010, 07-02-00791, 08-0200198, 08-02-10001), гранта Президента России НШ-321.2008.2 и гранта NATO-Grant NIG-9811707(2005).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Belolaptikov I. et al. // Astropart. Phys. 1999. V. 12. P. 75.

2. Aynutdinov M.V. et al. // Nucl. Instrum. Methods. A. 2008. V. 588. P. 99.

3. Aynutdinov M.V. et al. // Astropart. Phys. 2006. V. 25. P. 140.

4. Ackermann M. et al. // Phys. Rev. D. 2007. V. 76. 042008.

5. Ambrosio M. et al. // Nucl. Phys. B. (Proc. Sup.) 2002. V. 110. P. 519.

6. Volkova L. // ЯФ. 1980. Т. 31. С. 1510.

7. Thunman M, Ingelman G, Gondolo P. // Astropart. Phys. 1996. V. 5. P. 309.

8. Berezinsky V. // ArXiv.org:astro-ph/0505220.2005.

9. Mannheim K, Protheroe R, Rachen J. // Phys. Rev. D. 2001. V. 3. 023003.

10. Waxman E, Bahcall J. // Phys. Rev. D. 1999. V. 59. 023002.

11. Bhattacharjee P., Hill C, Schramm D. // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69. P. 567.

12. Nellen L., Mannheim K., Biermann P. // Phys. Rev. D. 1993. V. 47. P. 5270.

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 < 5 2009

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком