AND (Acoustic Neutrino Detection)

 

 

Neutrino - Astronomia

 

La presenza di neutrini di alta energia nella componente cosmica primaria è sostenuta da numerosi modelli. La rivelazione dei neutrini cosmici costituisce un utile strumento per l'indagine astrofisica e individua un settore di ricerca denominato "neutrino-astronomia". I neutrini, leptoni neutri di massa trascurabile (esattamente nulla nel modello standard), non subiscono deviazioni da parte di campi magnetici, non interagiscono con la radiazione diffusa, interagiscono con la materia solo debolmente (la sezione d'urto d'interazione debole è circa 10-35 cm-2 per En ~ 1 TeV). I neutrini costituiscono, pertanto, una valida "sonda" per l'esplorazione dell'universo, offrendo, nello stesso tempo, proprietà di puntamento direzionale e possibilità di estendere l'orizzonte di osservabilità degli eventi.

 

Il piccolo valore della sezione d'urto dei neutrini rappresenta, tuttavia, anche un importante limite sperimentale. La piccola sezione d'urto di interazione richiede lo sviluppo di rivelatori molto estesi, realizzabili per mezzo di "radiatori naturali", quali acqua, ghiaccio o masse rocciose.

 

Diverse tecniche di rivelazione sono state proposte. Attualmente, la tecnica di rivelazione più comune in ambiente sottomarino è costituita dalla raccolta della luce Cherenkov. Il processo che origina la radiazione Cherenkov è la polarizzazione degli atomi del mezzo lungo la direzione di moto di una particella carica, avente velocità superiore a quella della luce nel mezzo. Negli esperimenti sottomarini si considera la luce Cherenkov emessa come conseguenza del passaggio del muone prodotto dall'interazione del neutrino. La luce Cherenkov viene raccolta da dispositivi fotomoltiplicatori (Photo Multiplier Tube, PMT); i segnali (carica e tempo di occorrenza), opportunamente elaborati, vengono poi utilizzati, assieme alla conoscenza della posizione dei PMT, in algoritmi di ricostruzione per calcolare la direzione della traccia del muone.

La struttura dei telescopi Cherenkov sottomarini è una struttura modulare: i fotomoltiplicatori seguono una disposizione geometrica regolare, costituendo un reticolo tridimensionale. Un rivelatore il cui volume sia dell'ordine del Km3 può osservare eventi di neutrino di energia compresa nell'intervallo 1014 eV ≤ En ≤ 1019 eV. Progetti ed esperimenti in corso che utilizzano la tecnica di rivelazione Cherenkov in un telescopio per neutrini sono ANTARES, NESTOR, NEMO nel Mediterraneo, AMANDA e ICECUBE nei ghiacci del Polo Sud.

 

 

La Rivelazione Acustica

 

Un'alternativa e un complemento alla tecnica di rivelazione Cherenkov è rappresentato dalla rivelazione acustica. Le caratteristiche dell'interazione di neutrini in acqua (produzione di sciami) sono tali da prevedere la formazione, attraverso un meccanismo termo-acustico (dissipazione idrodinamica dell'energia del primario), di un segnale acustico misurabile. Secondo questa descrizione, il rilascio di energia nel mezzo produce un riscaldamento locale, con conseguente espansione termica e propagazione della perturbazione come onda di pressione. Il fenomeno è osservabile per neutrini di energia En ≥ 1015 eV.

Un progetto per un rivelatore acustico di neutrini prevede l'installazione di un reticolo tridimensionale di idrofoni. L'elevato valore della lunghezza di attenuazione del suono in acqua (lAC(n) ≈ 1 Km, per n ≈ 10 KHz) consente di posizionare i diversi moduli acustici a grande distanza l'uno dall'altro, senza perdere significativamente informazione sul segnale. Nel caso della disposizione di un reticolo di fotomoltiplicatori, al contrario, la massima distanza tra i moduli ottici è limitata dal piccolo valore della lunghezza di attenuazione della luce (lEM < 100 m). Questo significa che instrumentare efficacemente un dato volume d'acqua con idrofoni richiede l'impiego di un minor numero di sensori rispetto al caso di un rivelatore "ottico", con evidente riduzione dei costi di realizzazione. In altre parole, utilizzando le proprietà di propagazione dell'onda acustica, un reticolo di idrofoni potrebbe estendere il volume di rivelazione di un apparato di tipo "Cherenkov", rendendo accessibili eventi di neutrini cosmici con En ≥ 1018 eV ed aumentando, così, la sensibilità del rivelatore.

 

 

Meccanismo Termo-Acustico di Produzione del Suono in Acqua

 

La propagazione di un'onda acustica rappresenta una forma di trasporto dell'energia. Possiamo descrivere la formazione del segnale acustico in acqua a partire da questo concetto. Inizialmente, si considera l'energia (cinetica) della particella. L'interazione con le molecole d'acqua è una forma di trasferimento dell'energia: la particella cede energia alle molecole del mezzo, producendo, come conseguenza, il riscaldamento locale del mezzo. L'energia trasferita viene poi dissipata, in modo da ripristinare l'equilibrio termodinamico tra il volume d'acqua interessato dall'interazione e il mezzo imperturbato. La dissipazione è essa stessa una forma di trasferimento dell'energia; il modello termo-acustico rappresenta il meccanismo più efficace di trasferimento dell'energia della particella ed è associato alla formazione di un'onda di pressione.

 

Il modello termo-acustico (idrodinamico) di produzione del suono prevede che l'aumento di temperatura, seguito dalla diminuzione di densità, sia associato a una rapida espansione del mezzo: in altre parole, la deposizione dell'energia delle particelle introduce una perturbazione che modifica l'equilibrio termodinamico. Il fenomeno può essere descritto analiticamente dalla soluzione dell'equazione d'onda di D'Alambert:

 

               (1)

 

con         p(r,t)  pressione del fluido

                         (funzione incognita, soluzione dell'equazione)

              q(r,t)  densità di energia depositata

                         (termine noto sorgente della perturbazione)

              cs        velocità di propagazione del suono nel mezzo

              b         coefficiente di espansione termica

              Cp         calore specifico a pressione costante.

 

Il termine noto dell'equazione rappresenta la sorgente acustica, ossia la distribuzione dell'energia (termica) che determina la formazione del segnale.

 

L'introduzione di termini dissipativi nell'equazione (1) tiene conto delle proprietà di attenuazione del mezzo.

 

Il fenomeno di produzione di un'onda acustica è osservabile, in generale, tutte le volte che l'interazione di particelle in acqua avviene con deposizione localizzata di energia nel mezzo.

 

La caratterizzazione del segnale di pressione originato da interazione di particelle richiede lo studio della deposizione di energia in acqua, ovvero la conoscenza della funzione di distribuzione dell'energia depositata, q(r, t). La simulazione è un importante strumento per caratterizzare la produzione del segnale acustico e definire una strategia di rivelazione. La funzione q(r, t) dipende, in generale, dall'energia e dal tipo di primario che da origine all'interazione. Nel caso di neutrini astrofisici di alta energia, l'interazione produce sciami estesi di particelle (elettromagnetici e adronici); l'energia depositata si distribuisce, in prima approssimazione, su un volume d'acqua di forma cilindrica e il segnale acustico prodotto è assimilabile a quello originato da una sorgente cilindrica.

 

 

Gli Idrofoni

 

Per lo svolgimento di misure acustiche è necessario disporre di idrofoni, ossia di sensori, progettati per funzionare sott'acqua, in grado di convertire il segnale di pressione in un segnale di tensione (trasduttore pressione - tensione). Gli idrofoni comunemente disponibili in commercio sono realizzati con cristalli piezoelettrici, ovvero con materiali che, se sottoposti a una sollecitazione meccanica (segnale di pressione), subiscono una deformazione tale da produrre una polarizzazione elettrica misurabile.

 

 

 


 

 

Misure di Calibrazione

 

L'operazione di calibrazione è necessaria per caratterizzare la risposta dell'idrofono alle diverse sollecitazioni di segnale.

 

 

v                     Calibrazione in Frequenza

 

La risposta in frequenza degli idrofoni è stata verificata eseguendo misure di calibrazione presso l'Istituto di Acustica "O. M. Corbino" (IDAC), utilizzando i dispositivi e le strutture del Laboratorio di Acustica Sottomarina.

 

La calibrazione è stata eseguita con un segnale di calibrazione costituito da pacchetti d'onda sinusoidali; la frequenza della sinusoide considerata varia nell'intervallo [5-25] KHz, con passo di 500 Hz.

 

I risultati delle misure di calibrazione permettono di ricavare la funzione di trasferimento dei trasduttori. La conoscenza della funzione di trasferimento degli idrofoni rende possibile lo studio dei segnali nel dominio della frequenza.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



v                     Calibrazione su Fascio di Protoni (Test Beam)

 

La caratterizzazione dei segnali e la verifica sperimentale dei modelli può avvenire anche in laboratorio, utilizzando fasci di particelle. Se l'energia del fascio è depositata localmente in un piccolo volume d'acqua (deposizione localizzata) si riproducono le condizioni previste dal modello termo-acustico per la formazione di un segnale di pressione. In particolare, si considerano fasci intensi di protoni di energia 100 - 200 MeV. L'interazione dei protoni con la materia, infatti, è caratterizzata dal fatto che la maggior parte dell'energia del primario viene rilasciata a fine percorso, in un piccolo volume, in corrispondenza del cosiddetto "picco di Bragg". Il picco di Bragg costituisce una buona approssimazione di sorgente acustica.

 

 

L'esperimento svolto ad ITEP (Institute of Theoretical and Experimental Physics) con fasci di protoni da 100 MeV e 200 MeV costituisce un primo passo nello stabilire l'efficienza della tecnica di rivelazione acustica sottomarina di particelle. L'obiettivo è definire le condizioni sperimentali per la produzione sistematica di un segnale acustico in acqua. Il volume d'acqua in cui è localizzato il picco di Bragg identifica la sorgente acustica; i parametri della sorgente possono essere controllati variando i parametri del fascio. In particolare, l'intensità del fascio determina la quantità di energia depositata in acqua e, di conseguenza, l'intensità della perturbazione acustica; l'energia delle particelle definisce, invece, la posizione del picco di Bragg. Si tratta, in altre parole, di una prima calibrazione in energia, il cui scopo è mettere in corrispondenza le caratteristiche del segnale misurato dall'idrofono con la distribuzione di energia della sorgente.

 

I risultati dell'esperimento di ITEP mostrano che:

 

-                la deposizione localizzata di energia in acqua da parte di particelle produce un segnale acustico rivelabile; è possibile definire le caratteristiche temporali e spettrali del segnale;

-                 il segnale acustico prodotto dall'interazione di particelle in acqua dipende dai parametri del fascio; in particolare, è possibile identificare una relazione funzionale che lega l'ampiezza del segnale acustico all'energia depositata.

 

 

Lavori in Corso ...

 

I risultati ottenuti fino a questo punto costituiscono la base di partenza per lo sviluppo di una tecnica di rivelazione acustica, all'interno di un progetto di telescopio sottomarino per neutrini astrofisici. Sono necessari, tuttavia, ulteriori studi per completare la conoscenza del segnale acustico prodotto ed elaborare un'efficace tecnica di ricostruzione dell'evento. Si tratta da una parte di formalizzare teoricamente, in maniera sempre più accurata, il processo di formazione e propagazione del segnale di pressione; dall'altra, di procedere alla verifica sperimentale dei modelli teorici, attraverso nuovi test in laboratorio od elaborando diverse strategie di misura. In questo modo, è possibile caratterizzare il segnale acustico aspettato in funzione dei parametri del primario incidente e definire più precisamente una strategia di rivelazione e di ricostruzione delle informazioni.

 

Simulazioni numeriche permettono di completare lo studio teorico dei meccanismi di formazione e propagazione del segnale acustico e la caratterizzazione del segnale nel dominio del tempo e della frequenza. In particolare, è necessario calcolare la distribuzione dell'energia depositata nel volume di interazione (definizione della sorgente acustica) e l'andamento della risposta in funzione della distanza del punto di rivelazione dalla sorgente.

 

L'attività di laboratorio è rivolta alla ideazione e alla progettazione di tecniche e strategie di calibrazione; l'obiettivo è definire le condizioni sperimentali per la produzione sistematica di un segnale acustico in acqua, in modo da approssimare sempre più efficacemente il segnale di pressione prodotto dall'interazione di neutrini. Ciò è possibile considerando esperimenti con fasci di particelle, oppure ipotizzando tecniche alternative, come, ad esempio, impulsi elettrici o fasci di luce laser.

 

Di particolare importanza in funzione dell'istallazione di un apparato sottomarino di rivelazione, è lo studio dei parametri ambientali del sito abissale candidato ad ospitare l'esperimento, in modo da tenere sotto controllo le variabili che influenzano la propagazione dei segnali. Un argomento da considerare per la caratterizzazione del sito abissale è lo studio del rumore ambientale, indispensabile per proporre una strategia di separazione segnale-rumore. Occorre, inoltre, rivolgere l'attenzione a aspetti tecnologici e realizzativi (installazione e manutenzione, acquisizione dei dati, trigger).

 

 

Bibliografia

 

v    "Acoustic Radiation by Charged Atomic Particles in Liquids: an Analysis"

G. A. Askaryan, B. A. Dolgoshein, A. N. Kalinovsky, Nucl. Instruments and Methods, 164 (1979) 267 278.

 

v    "Acoustic Detection of High Energy Particle Showers in Water"

J. G. Learned, Phys. Rev. D 19 (1979) 3293.

 

v    "Sensitivity of an Underwater Acoustic Array to Ultra-High-Energy Neutrinos"

N. G. Lehtinen, Astropart.Phys. 17 (2002) 279.