Выделение событий от каскадов инициированных мюонами и нейтрино, в экспериментах на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе

• Автор: Шайбонов, Баир Александрович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 91 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Детектор НТ-200
1.1. Элементы и функциональные системы телескопа
1.2. Калибровка регистрирующих систем телескопа
Глава 2. Методика восстановления параметров ливней высоких энергий
2.1. Моделирование отклика нейтринного телескопа НТ-200 на черепковское излучение ливней высоких энергий
2.2. Восстановление параметров ливней высоких энергий по данным нейтринного телескопа
2.3. Восстановление положения и интенсивности калибровочного
источника света телескопа НТ200+. Апробация методики восстановления параметров ливней
Глава 3. Поиск нейтрино высоких энергий в экспериментах на нейтринном телескопе НТ-
3.1. Стратегия поиска событий от нейтрино высоких энергий в нейтринном телескопе НТ-
3.2. Моделирование событий от атмосферных мюонов
3.3. Моделирование нейтринных событий
3.4. Результаты анализа экспериментальных данных
3.5. Ограничение на величину диффузного потока нейтрино
Глава 4. Исследование эффективности регистрации ливней высоких энергий нейтринным телескопом следующего поколения НТ-1000 на оз. Байкал
4.1. Зависимость чувствительности НТ-1000 от значений геометрических параметров его конфигурации
4.2. Энергетическое и угловое разрешение НТ-1000 относительно регистрации ливней высоких энергий
Заключение
Литература

Введение
Нейтринные телескопы являются экспериментальными измерительными комплексами, размещенными на больших глубинах в естественных прозрачных средах в различных географических районах Земли, нацеленными на исследования широкого спектра научных проблем, и, в первую очередь, на исследование природных потоков нейтрино. Метод глубоководного детектирования, являющийся основой экспериментов по регистрации нейтрино высоких и сверхвысоких энергий астрофизической природы с помощью нейтринных телескопов, был впервые предложен М.А. Марковым [1] в 1960 году и заключается в регистрации черенковского излучения вторичных мюонов и/или ливней высоких энергий, образующихся при взаимодействии нейтрино с веществом в прозрачных природных средах. По аналогии с экспериментами на наземных ускорителях, в экспериментах на глубоководных телескопах используется нейтринный поток природного происхождения, который облучает мишень (вода или лед, а также грунт под установкой, в случае мюонных нейтрино). Носителями информации о нейтрино являются конечные продукты нейтринных взаимодействий - мюоны и ливни высоких энергий, черепковское излучение которых регистрируется фотодетекторами нейтринного телескопа.
Источники нейтрино
Исследования природных потоков нейтрино с помощью нейтринных телескопов ведутся по двум направлениям (см., например, [2-6]). Первое направление исследований касается поиска и идентификации локальных источников нейтрино. Природные потоки нейтрино высоких энергий формируются в результате физических процессов, протекающих в астрофизических объектах, характеризующихся гигантским энерговыделением с интенсивностью от 1039 до 1052 эрг/с и выше. Наиболее близкими по отношению к земному наблюдателю астрофизическими объектами способными, как предполагается в настоящее время, излучать высокоинтенсивные потоки нейтрино, расположены в основном в окрестности центра нашей Галактики и в галактической плоскости. Наиболее перспективными галактическими источниками являются остатки от взрывов сверхновых, пульсары, окрестность черной дыры Sgr А* в центре нашей Галактики, двойные звездные системы, содержащие черную дыру или нейтронную звезду, скопления молекулярных облаков, являющиеся мишенью для протонов и ядер космических лучей. Энергетический спектр нейтрино от

галактических источников заполняет область энергий 103-10б ГэВ. К другому классу нейтринных источников, излучение которых может быть зарегистрировано наземными установками, относятся внегалактические объекты -активные ядра галактик, гамма-всплески, скопления галактик. Этот класс источников характеризуется существенно большим энерговыделением и генерирует нейтрино в диапазоне энергий 104-108 ГэВ и выше. В настоящее время, число идентифицированных с помощью оптических, рентгеновских и гамма-телескопов галактических и внегалактических объектов, способных излучать нейтрино, приближается к сотне. Поиск нейтринного сигнала от идентифицированных источников накладывает высокие требования к разрешающей способности нейтринных телескопов как с точки зрения измерения энергии, так и измерения направления движения нейтрино.
Другим направлением изучения природного потока нейтрино является исследование энергетического спектра, глобальной анизотропии и состава по типу нейтрино природного диффузного потока нейтрино от неидентифици-рованных источников в области энергий выше 104 ГэВ, в которой фон от атмосферных нейтрино становится сравнимым или меньше величины ожидаемого потока. Диффузный поток нейтрино высоких энергий в окрестности Земли формируется нейтринным излучением от всей совокупности источников за время, начиная с отдаленных космологических эпох и до наших дней. Основной вклад в этот поток вносят внегалактические объекты. Вклад в диффузный поток вносят также нейтрино, образующиеся в результате взаимодействия космических лучей с межзвездным веществом, а в случае космических лучей ультравысоких энергий, с электромагнитным излучением из широкого диапазона энергий, включая реликтовое излучение. Следует отметить, что определенную часть диффузного потока могли бы составлять нейтрино от распада сверхмассивных частиц ассоциирующихся, в частности, с теориями великого объединения GUT (top-down сценарий).
Стандартный подход, используемый широким кругом теоретических моделей, описывающих формирование нейтринных потоков в источниках космических лучей, предполагает рождение нейтрино, в основном, при распаде 7г-мезонов, образующихся 13 рр и р7 взаимодействиях. В этом случае нейтринный поток, испускаемый источником, содержит нейтрино разного типа в пропорции ve:ujL:uT «з1:2:0. Вследствие эффекта нейтринных осцилляций, это соотношение меняется в зависимости от расстояния до источника. Длина Уц +-* ит осцилляций, при выборе параметров осцилляций Ат2 = 2.5 х 1СГ3 эВ2 и sin 29 =1, согласно данным эксперимента Super-Kamiokande [7], состав-

ность измерения времени, N^{1 - число сработавших каналов в событии. Как уже отмечалось ранее, в случае детектирования черепковского излучения ливней высоких энергий в байкальской воде, основная доля фотодетекторов срабатывает от прямых фотонов либо от фотонов, рассеявшихся на малые углы. Это обстоятельство существенно упрощает процедуру восстановления координат ливней. А именно, в качестве теоретически ожидаемого времени Тг может быть выбрано время распространения прямых фотонов от ливня до соответствующего фотодетектора. Качество восстановления может быть повышено путем применения дополнительных критериев отбора событий, основанных на ограничении допустимых значений специально выбранных параметров, характеризующих события (см. параграф 3.5).
2.2.2. Восстановление энергии и направления развития ливня
На втором этапе проводится восстановление энергии и направления развития ливня с применением метода максимального правдоподобия, с использованием восстановленных па первом этапе координат ливня. В качестве полярного и азимутального углов, характеризующих направление развития ливня, и энергии ливня выбираются значения переменных в, (р и Еф. соответствующие минимальному значению функционала:
Функции Рі(Аі, Еф, Ц>)) представляют собой вероятности регистрации
сигнала с амплитудой Д- (измеряемой в фотоэлектронах) от ливня с энергией Е'ф и направлением оси Ц,/, і-ьім сработавшим каналом телескопа и имеют следующий вид:
Первый сомножитель р является вероятностью регистрации сигнала с амплитудой Д оптическим модулем, формирующим амплитудный отклик г-ого измерительного канала:
где Р(п+/п+) — вероятность регистрации п+ фотоэлектронов при среднем п+ для распределения Пуассона, £(Д п+) - плотность вероятности регистрации
ігЛі
(2.15)
Рі = РіРг ■
(2.16)
(2.17)