Source of the high-energy neutrino

MSU neutrino group
activity in neutrino
telescope projects
Neutrino and registration of them
•  e ,  ,  S = ½
•Reactions of weak interaction
•Small cross section of interaction
•Neutrinos can provide information about
hidden objects in the Universe
•Difficulties with registration
I. Active galactic nuclei and
Gamma-ray bursts (GRB)- are
extremely powerful sources of
particles and radiation in the
Universe
II. Protons are deviated by
powerful electromagnetic fields
(E<1019 eV) of galaxies and
interact with sources of
electromagnetic fields
IV. Only neutrinos can
penetrate from the most
distant part of the
Universe; pass
cosmological distance;
their direction
corresponds to the
direction to the source
High-energy protons
neutrinos
Deviation of low
energy protons
High-energy gamma
rays
III. Gamma rays interact with
a cosmic background (ɣ + ɣ
↔ e + e); they are absorbed in
the interstellar space
Detection principle
The main reactions
Big energies=> we can assume that trajectories of the
initial protons and final particles agree with accuracy
=>
We can define the location of the source in the space
by tracks of neutrinos
Current situation
• ANTARES (0.09 km^3) Toulon
• IceCube (1 куб.км), South Pole
• Baikal telescope (0.03 km^3) Baikal,
Russia
• NEMO  KM3Net (1.2 km^3) Capo
Passero
The main directions of current activities of the
MSU scientific group in Mediterranean
neutrino projects
• Development and creation of optical modules
• Modelling and optimization of configuration of neutrino
telescopes
•
•
•
•
•
Creation of filters of bioluminescence
Development of criteria for the reliability of events
Analysis of experimental data (ANTARES)
Development of algorithm for the search of supernova
Neutrino acoustic (KM3Net)
Current research related to neutrino
physics
•
•
•
•
•
•
Flux of atmospheric muons and neutrino
Neutrino oscillations
Supernova remnants
Periodic sources
- microquasars (оne of participants is a black hole or
a neutron star)
- pulsars (spinning neutron star)
active galactic nuclei (black holes)
Gamma-ray bursts (merging of double stars, merging
of the pair neutron star - black hole, collapse of the
star)
ANTARES detector
a storey
12 lines (about 900 PMTs)
25 storeys / line
3 PMTs/storey
14.5 m
350 m
40 km to
shore
Horizontal layout
100 m
Junction
box
~70 m
Sea bed ~ -2500 m
Interlink cables
Structure of the detector
Cherenkov method of neutrino registration
Atmospheric
muon
Neutrino
passes
through the
Earth
neutrino
Земля защищает от
атмосферных
мюонов.
Восходящие мюоны
только от нейтрино
(космические,
атмосферные)
~5000 ФЭУ
Reconstruction of
the muon track by
the time and
position of the
activated PMT
Registration of
Cherenkov light
III. Мюоны от
взаимодействия 
излучают
черенковское
излучение
мюон
Natural water
I. Нейтрино, идущие из
дальнего космоса,
пронизывают Землю,
взаимодействуя с веществом
Source of the highenergy neutrino
Дно
Seabed
II. Взаимодействуя,
нейтрино оставляет после
себя заряженный лептон
Interaction of neutrino in the Earth’s crust
(заряж. ток)
Глубина
(depth)
>3000м
Е.В.Широков 22 ноября
2013 г. Учёный Совет
НИИЯФ и ОЯФ
Distribution of the ratios of rates of muons for
experimental data и Monte-Carlo modelling data; fit by
Gauss function (Antares)
Atmospheric muon veto
z [m]
1) All muons which are flying from the atmosphere – background
muons
2) The source of muons, which are flying through the Earth, can
be neutrinos, but only that neutrinos, which are from beyond
Earth
3) Atmospheric muons cannot fly through the Earth (small
energy)
cosmic neutrinos
atmospheric muons
R2 [103 m2]
detector volume
vertex cut
R2 [103 m2]
S events / 6 months
Signal / Noise
atmospheric muons
atmospheric neutrinos (tracks)
atmospheric neutrinos (showers)
cosmic neutrinos (tracks)
cosmic neutrinos (showers)
BDT (topology of event)
Прототипы башень
Prototypes of towers
• НЕМО (NEMO) Фаза-I (Phase-I ) – минибашня (4
этажа) возле порта Катании; small tower (4 floors)
near the port of Catania
• НЕМО Фаза-II (Phase-II) – башня (8 этажей) Capo
passero (3500 м); Tower (8 floors) Capo passero (3500
m)
• KM3NeT Фаза 1.5
– НЕМО Фаза-III (Phase-III) – 8 башень по 14
этажей, Capopassero; 8 towers with 14 floors in each
tower, Capopassero
– 24 струны с МультиФЭУ (24 strings with MultiPMT)
НЕМО Фаза-I (NEMO Phase-I)
• Установка рядом с
портом Катании
(installation near to the
port of Catania)
• Проверка всех
ключевых элементов
конструкции (сheck all
structural elements)
• Проверка раскрытия
башни (Check the
opening of the tower)
НЕМО Фаза-II (NEMO Phase- II)
• установка на глубине 3500 м
(installation at a depth of 3500 m)
• более года работы (more than a
year of work)
НЕМО Фаза-III (NEMO Phase-III)
• Установка соединительной коробки и одной струны
•
(installation of the junction box and one string )
Доведение конфигурации до целого блока (8 струн по 14
этажей по 6 ФЭУ 10’’) bringing up the configuration to the
whole block (8 strings with 14 floors with 6 PMT 10 '')
KM3Net project
• Предполагаемые сроки
сооружения (time of
developing) – 2012-16 гг.
• Предполагаемый объём – 1.2
куб.км (volume 1.2 km^3)
Nemo
Capo Passero, Italy
-3500 m
Архитектура
architecture
нейтринный телескоп
neutrino telescope
компьютерный
центр
computer center
береговая станция
shore station
Distance access to data
KM3NeT
on
off
удалённый
контроль
distance
control
удалённый
доступ к данным
KM3NeT Фаза-1.5
•24 струны 24 strings
•20 Оптических модулей на струне
(20 optical modules on a string )
•Оптический модуль (мультиФЭУ) Optical module (multi-PMT)
~ 600 m
•8 башень 8 towers
•14 этажей в башне 14 floors in the tower
•8 м длина этажа length of the floor equals 8 m
•height of the floor 20 m
•общая. выс. total height. ~ 450 m ~ 450 m ‒31 x 3” ФЭУ 31 x 3“ PMT
•6 ОМ+ 2 гидрофона/этаж; 6 OM + 2
‒LED & акуст. пьезо
hydrophone / floor
LED & acust. piezo
•~ 100 м между башнями ;~ 100 m between
‒FPGA контроль и обработка данных
towers
FPGA control and data processing
Установка installation
Disclosure after connecting on the seabed
Reusable coil
PMT Key features:
– Timing ≤ 4.5 ns (FWHM)
ETEL D792 Hamamatsu R12199 HZC XP53B20
– QE ≥ 25-30%
– collection efficiency ≥ 90%
ETEL
– photon counting purity 100%
(by hits)
– price/cm2 ≤ 10” PMT
The main results of MSU sсientific group in the
Mediterranean sea neutrino projects:
• - были разработаны различные прототипы фотоумножителей, которые могут применятся
для работы в составе глубоководных телескопов.
(various prototypes of photomultipliers have been developed, which can be applied for the work
in deep-sea telescopes)
•
- решена проблемы биолюминисценции, свойственной детекторам, работающим в морской
воде. В ходе проведённой работы удалось успешно создать несколько фильтров
биолюминисценции, что позволило существенно ускорить расшифровку получаемых
сигналов (the problem of bioluminescence was fixed; during the process of this work multiple
bioluminescence filters were successfully created, which will significantly speed up the decoding
of received signals.
•
-разработан новый алгоритм поиска сверхновых, используемый для возможного
обнаружения данного типа астрофизических объектов, являющихся источниками
космических нейтрино. Данный алгоритм существенно улучшает так называемый
«коэффициент качества» обработки информации при регистрации нейтринных потоков от
возможных вспышек (new algorithm for finding supernovae has been developed; it is used to
detect this type of possible astrophysical objects; they are sources of cosmic neutrinos. This
algorithm significantly improves a so-called "quality factor" of information processing in
registration of neutrino fluxes from possible outbreaks)
•
-выполнена работа по моделированию различных конфигураций оптических модулей для
сооружаемого нейтринного телескопа с объёмом свыше 1 км3. Подобное моделирование
позволяет не только повысить эффективность детектора, но и уменьшить затраты на его
сооружение (work on modeling of different configurations of optical modules has been
processed. This modeling allows not only to improve the efficiency of the detector, but also to
reduce the cost of its construction)
•
- выполнен анализ большого количества экспериментальных данных от детектора ANTARES
за период 2008-2010 гг; опробованы несколько различных критериев отбора событий для
анализа данных; начаты работы по возможному гидроакустическому обнаружению
астрофизических нейтрино (the analysis of a large number of experimental data from the
detector ANTARES for the period 2008-2010 has been done; we tested a number of different
criteria for the selection of events for analysis; started work on a possible acoustic detection of
astrophysical neutrinos)
Thank you for your attention