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C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Apparati per Fisica Astroparticellare- i telescopi per neutrini di AE -C. N. De Marzo, Dip Fisica e INFN, Bari
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Sommario
•preistoria dei telescopi per ν (NT)
• rivelatori a luce Čerenkov in acqua
•regole per un telescopio sott’acqua
•panorama internazionale dei telescopi
•cosa c’è e che cosa serbirebbe per un
buon NT
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
• dal 1930: lo studio dei raggi cosmici realizza un lunga tradizione di ricerche sotterranee e subacquee
• laboratori in Italia:- Monte dei Cappuccini (Torino)
- Monte Bianco (tunnel autostradale)- Lab. del Gran Sasso (da fine ‘80)
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
• fine anni ‘70: le teorie di Grande Unificazione prevedono il decadimento del protone (tprev ≈ 1031 y)
• alcuni laboratori sotterranei a ciò dedicati:- Soudan, Minnesota - IMB, Ohio- Kamioka, Giappone- NUSEX traforo del Monte Bianco- Frejus francese, nel traforo
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
• il decadimento del p non si vede !
• si vedono tanti µ della rad. cosmicaed anche neutrini atmosferici
(cioè µ provenienti dal basso)
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
distribuzione dei muoni nel lab. del Frejus in funzione dell’angolo (l’ordinata moltipl. x cosθ)
in ascissa la ‘slanth depth’
∝ cos(θ)
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
atmosphericMuons
AtmosphericNeutrinos
dΦ/dΩ cm-2 s-1 sr-1
cosθν
10-9
10-11
10-13
10-15
10-17
2400 m depthE > 1 TeV
Spettro dei µ in un laboratoriosotterraneo
(simulato)
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
reazioni base di produzione dei neutrini atmosferici
p + N p + N + π+ + π- + π° + . . .
π± µ± + νµ
µ± e± + νµ + νe
τπ = 2.6 10-8 s τµ = 2.2 10-6 s
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meccanismo detto “beam dump”
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tipi di sorgenti• Galattiche (SNR, micro-quasar, centro galattico)
• Extra-galattiche (AGN, fondo µ-onde,. . ., GRB)
• Esotiche (difetti topologici, . . .)
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Throughgoing
Internal Down
Internal Up
µ stop
Throughgoing: Emedian∼50 GeV 180/yrInternal Up: Emedian∼3.5 GeV 50/yrInternal Down+Stopping µ:Emedian∼4.2 GeV 35+35/yr (expected)
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distribuzione del tempo di volo dei muoni in MACRO
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
psf di MACRO∆θ = 0.6°(dall’analisi
di 106 coppie di muoni)
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l’ombra della Luna in MACRO
(PRD59 (1999)).
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Mappa dei 1356 νµ di MACRO
previsioni di vari modelli del flusso diffusoLearned Mannheim
AGNGZK
pγ AGN corespp AGN cores
pγ blazar
GRB
WB Limit
Stecker
Nellen
Mannheim
Bierman
Waxman
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Macro: ≈ 103 m2
≈ 104 m3
per fare astronomia dei neutrini almeno 1 km3 = 109 m3
un volume 5 ordini di grandezza maggiore
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Conteggi da flusso diffuso in 1 km3
Guaranteed (GZK): 0.5/year Diffuse GRB: Waxman 50/yearDiffuse AGN (thin): Mannheim few/year
(thick): >100/year
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
In conclusione:- occorrono rivelatori con Aeff. ≈ km2
e volumi ≈ km3 impossibili con tecniche ‘a la MACRO’
- difficoltà tecniche a scavare sale sotteranee ed elevato costo del rivelatore
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Per ciò l’unica soluzione praticabile sono gli apparati basati sulla rivelazione di
luce Čerenkov ed immersi in acqua a grande profondità
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Detecting neutrinos
ν
µ
γč
43°In ANTARES2400 m depth
Cherenkov light from µ induced by ν interaction detected by 3D PMT arrayTime & position of hits allow the reconstruction of the µ (~ ν) trajectoryinteraction
νµ µ
N X
W
Both σνN & µ range ∝ Eν
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la catena di cause ed effetti è:
ν + leptone hνČerenkov
in definitiva si misurano ampiezze e tempi dei segnali ai Moduli Ottici (OM)
codice di ricostruzione delle tracce
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C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Ricostruzione:- traccia (6 param.) = in base alle
misure di tempo di arrivo dei fotoni e posizione dei relativi OM
- energia = in base alla luce totale raccolta
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risoluzione angolare in ANTARES
Reconstruction resolution limited by light diffusion in water and phototube TTs
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Requested Physics Performancefor a Neutrino Telescope - I
• Critical issues:• effective area
(determines muon rate)• angular resolution
(for point source searches)• energy resolution
(diffuse flux searches)• background rejection
(rejects mis-reconstructed cosmic muons)
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NT Requested Performance - II
- High depth- for background reduction (cosmic ray muons, bioluminescence, . . .)
- Good environmental parameters- high water trasparency
- reduced bio-luminescence
- reduced sedimentation and bio-fouling- low sea-water current
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
proprietà del mezzo:lung. di assorbimento: La = 1/a (trasp.)
lung. di scattering: Lb = 1/b (scatt.)
lungh. di attenuazione: c = a + b
fondi: potassio (40K)
bio-luminescenza
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Confronto: liquido vs ghiaccio
λa = 40÷70 m λa = 200 mλsc ≈ 75 m λa = 25 m
40K ~ 40 kHz (mare) = 0bio-lumin. variabile assente app. riconfigurabile non riconfig.
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Telescopi per neutrini nel mondo
• BAIKAL, lago in Siberia prototipo (192 OM)
• AMANDA, Polo Sud presa dati
• ANTARES, Marsiglia in costruzione
• NEMO, Capo Passero (Sicilia) progetto, test di
prototipi
• NESTOR, Pylos (GR) prototipo (12 OM)
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Lago Bajkal
Bajkal
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The first running detector: Baikal192 OM arranged in 8 strings, 72 m heighteffective area >2000 m2 (Eµ>1 TeV)
3600 m
1366
m
• Successfully running since 10 years• Atmospheric neutrino flux measured• Further upgrades planned, but km3 hardly reachable
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NESTOR a Pylos, Peloponneso
NESTORNEMO
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NESTOR• Tower based detector• Up- and downward looking PMTs• 3800 m deep• Dry connections• First floor (reduced size) with
12 PMTs deployed and operated in 2003
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The ANTARES Collab.
University of SheffieldUniversity of Leeds
CPPM, Marseille DSM/DAPNIA/CEA, SaclayC.O.M. MarseilleIFREMER, Toulon/BrestLAM, MarseilleIReS, StrasbourgUniv. de H.-A., MulhouseObservatoire de la Côte
d’Azur
INFN andUniversity of Bari University of Bologna University of Catania University of GenovaLNS – CataniaUniversity of PisaUniversity of Rome
IFIC, Valencia
NIKHEF,Amsterdam
ITEP, Moscou
Universitat, Erlangen
Particle physicists, oceanographers, astronomers
180 physicists, engineers and sea scientists from 24 European institutes:
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ANTARES Site
Submarine Cable -2475m
La Seyne sur Mer
Institut Michel Pacha
Shore Station
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005Glass sphere (Nautillus)
Photomultiplier: 10 inch Hamamatsu
Mu metal magnetic shield Active PMT base (ISEG)
The Optical Module
LED pulser
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Profiler for Sea currant
(ADCP)
Probe for salinity and temperature (CTD)
Probe for Sound velocity
Junction Box
LED Beacon
Laser Beacon
Seismograph
hydrophones hydrophone
5 Storeys of Optical Modules
Anchor with electronics containers Link Cables
Prototype Linesoperated in 2003Prototype
SectorLine (PSL)
Dec 2002
MiniInstrumentation
Line (MIL)
Feb 2003
Dec2002
March2003
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005© F. Montanet
• 12 lines• 25 storeys / line• 3 PMTs / storey• 900 PMTs
~70 m
100 m
350 m14.5 m
Submarine links
JunctionBox
40 km toshore
Anchor/line socket
to be deployed by 2005-2007
a storey
2500m depth
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
100m
100m
LASER Beacon
LED beacon
MILPSL
10m
100m
Calibrations with laser and LED
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
Acoustic Positioning
~ 1 cmInter-transponder≤ 6 cm Rang.Transpond.
< 6 mm Inter-rangemeter
precision (σ)Devices
Triangulation → ~5 cm final precision
10 cm
10 cm
Hydrophone positionmeasured every 10 secvariation < 1 cm within 10 s
Displacement < 70 cmduring one night
Energy & angular resolution
Energy resolutionlg(Erec/EMC)
Factor 3
Factor 2
Resolution dominated byreconstructonLimiting value ~0.15°
ν
µ
Resolution dominated by kinematicangle θνµ
Reconstruction resolutionlimited by phototube TTSand light diffusion in water
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Calibrazione angolare
- µ dall’alto
- ombra della Luna
- ombra della costa
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Cable deployment Oct. 2001
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C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
il Nautile
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Il ROV VICTOR
il ROV VICTOR
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C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
2000-2003 AMANDA sky plot: 3369 events
sigma
No evidence for point-like sources with an Eν-2 energy
spectrum based on the first four years of AMANDA-II. The strongest excess was observed from the direction of the Crab nebula, with 10 events where 5 are expected.
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Observation time for up-going neutrino events
TeV sourcesµQSO
Galactic centre
Galactic coordinatesMediterranean km3
ICECUBE
1.5 π sr common view per day
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Perciò occorrono due telescopi per esplorare tutto il Cielo
• Torniamo nel Mediterraneo:• ANTARES: 0.1 km2, 0.03 km3 (Marsiglia)
• NEMO: 1.5 km2, 1 km3 (Sicilia)
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the NEMO CollaborationINFNBari, Bologna, Catania, Genova, LNF, LNS, Napoli, Pisa, RomaUniversitàBari, Bologna, Catania, Genova, Napoli, Pisa, Roma “La Sapienza”
CNRIstituto di Oceanografia Fisica, La SpeziaIstituto di Biologia del Mare, VeneziaIstituto Sperimentale Talassografico, Messina
Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)
Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS)
Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione (ISCTI)
More than 60 researchers from INFN and other italian institutes
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Nemo site exploration activities
• Since 1998 continuous monitoring of a deep sea site located in a wide abyssal plain close (≈80 km) to the coast of Sicily (Capo Passero) at about 3500 m
• More than 20 sea campaigns on the site to measure:– water optical properties– optical background– deep sea currents– nature and quantity of sedimenting material
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Comparison of NEMO and Antares dataon water optical properties
• Absorption lengths measured in Capo Passero are compatible with optically pure sea water data
• Large differences between Toulon and Capo Passero are observed in the blue region
• Values measured with the Antares Test 3’ setup are in good agreement with the AC9 data
Optical water properties have been mesured in the summer 2002 in Capo Passero and Toulon in two joint NEMO-ANTARES campaigns
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Optical backgroundLight produced by biological entities(bioluminescence) → random bursts with very high counting rateDecay of radioactive elements (mainly40K) → stable frequency noise (≈30 kHzon a 8” PMT at 0.3 p.e. threshold)
No luminescent bacteria have been observedin Capo Passero below 2500 m
Data taken by Istituto Sperimentale Talassografico, CNR, Messina
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Optical background at Capo PasseroMeasurements
performed with the device developed by
ANTARES
Dead time:Fraction of time with
Rate > 200 kHz
PMT: 10”
Thres: ~.5 SPE
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the NEMO towerHeight:compacted 15:20 mtotal 750 minstrumented 600 mn. beams 16 to 20n. PMT 64 to 80
The NEMO tower is a semi-rigid 3D structure designed to allow easy deployment and recovery. High local PMT density is designed to perform local trigger.
The NEMO tower is a semi-rigid 3D structure designed to allow easy deployment and recovery. High local PMT density is designed to perform local trigger.
Beams:length 20mspacing 40 m
A 1:5 scale model of the tower (4 floors)tested in shallow water on April 2004
floor
Tower compacted
Tower unfolded
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electro optical cable from shore
140÷300m
secondary JBs
primary JB
towers
• 1 main Junction Box
• 8 ÷ 10 secondary Junction Boxes
• 60 ÷ 80 towers
• 140 ÷ 300 m between each tower• 16 ÷ 18 floors for each tower • 64 ÷ 72 PMT for each tower
• 4000 ÷ 6000 PMTs
• 1 main Junction Box
• 8 ÷ 10 secondary Junction Boxes
• 60 ÷ 80 towers
• 140 ÷ 300 m between each tower• 16 ÷ 18 floors for each tower • 64 ÷ 72 PMT for each tower
• 4000 ÷ 6000 PMTs
NEMO will be modular detectorGreat advantage in terms of reconfigurability
Main JB
1st Secondary JB……
Nst Secondary JB 8 ÷10 towers
8 ÷10 towers
Data transmission system: Mostly passive component, Low power consumptionBased on DWDM technique
First Multiplation Stage at tower base.
Second multiplation stage at secondary JB.
Signals from primary JB go directly to shore
Data transmission system: Mostly passive component, Low power consumptionBased on DWDM technique
First Multiplation Stage at tower base.
Second multiplation stage at secondary JB.
Signals from primary JB go directly to shore
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Cable features:Cable features:
10 Optics Fiber standard ITU- T G-652
6 Electrical Conductors Φ 4 mm2
2.330 mDouble Armed Cable
20.595 m Single Armed Cable
Drop cable 2Drop cable 25.220 m5.220 m
Drop cable 1Drop cable 15.000 m5.000 m
joint
BU
joint
joint
GEOSTAR
NEMO Phase 1 Lab
Layout of the installation
LNS test site in Catania
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a multidisciplinary laboratory
Sperm whale clicks (echo localization)GEOSTAR SN-1 deep sea station
First data from 2000 m• GEOSTAR SN-1, a deep sea station for on-line seismic and environmental monitoring by INGV. The NEMO test site is the Italian site for ESONET (European Seafloor Observatory NETwork);• OνDE, for on-line deep sea acoustic background monitoring.
C. De Marzo, Dottorato in Fisica - 7 giugno 2005
the end