MSU neutrino group MSU neutrino group activity in neutrino activity in neutrino telescope projectstelescope projects

Neutrino and registration of Neutrino and registration of themthem

• S = ½S = ½

•Reactions of weak interactionReactions of weak interaction

•Small cross section of interactionSmall cross section of interaction

•Neutrinos can provide information Neutrinos can provide information about hidden objects in the Universeabout hidden objects in the Universe

•Difficulties with registrationDifficulties with registration

e , ,

High-energy protons

neutrinos

Deviation of low energy protons

High-energy gamma rays

I. Active galactic nuclei and Gamma-ray bursts (GRB)- are extremely powerful sources of particles and radiation in the Universe

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

II. Protons are deviated by powerful electromagnetic fields (E<1019 eV) of galaxies and interact with sources of electromagnetic fields

III. Gamma rays interact with a cosmic background (ɣ + ɣ ↔ e + e); they are absorbed in the interstellar space

III. Gamma rays interact with a cosmic background (ɣ + ɣ ↔ e + e); they are absorbed in the interstellar space

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

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

Detection principleDetection principle

The main reactionsThe main reactions

Big energiesBig energies==> we can assume that > we can assume that trajectories of the initial protons and final trajectories of the initial protons and final

particles agree with accuracyparticles agree with accuracy = =>>We can define the location of the source in the We can define the location of the source in the

space by tracks of neutrinosspace by tracks of neutrinos

Current situationCurrent situation

•ANTARES (0.09 km^3ANTARES (0.09 km^3) ) ToulonToulon

•IceCube (1 IceCube (1 куб.км), куб.км), South PoleSouth Pole

•Baikal telescope (0.03 km^3) Baikal, Baikal telescope (0.03 km^3) Baikal, RussiaRussia

•NEMO NEMO KM3Net (1.2 km^3 KM3Net (1.2 km^3) ) Capo Capo PasseroPassero

The main directions of current activities of the The main directions of current activities of the MSU scientific group in Mediterranean MSU scientific group in Mediterranean

neutrino projectsneutrino projects

• Development and creation of optical modulesDevelopment and creation of optical modules

• Modelling and optimization of configuration of Modelling and optimization of configuration of neutrino telescopesneutrino telescopes

• Creation of filters of bioluminescence Creation of filters of bioluminescence

• Development of criteria for the reliability of Development of criteria for the reliability of eventsevents

• Analysis of experimental data (ANTARES)Analysis of experimental data (ANTARES)

• Development of algorithm for the search of Development of algorithm for the search of supernovasupernova

• Neutrino acoustic (KM3Net)Neutrino acoustic (KM3Net)

Current research related to neutrino Current research related to neutrino physicsphysics• Flux of atmospheric muons and neutrinoFlux of atmospheric muons and neutrino

• Neutrino oscillationsNeutrino oscillations

• Supernova remnantsSupernova remnants

• Periodic sourcesPeriodic sources

- microquasars- microquasars (о (оne of participants is a black hole or a neutron star)

- pulsars (spinning neutron star)

• active galactic nuclei (black holes)active galactic nuclei (black holes)

• Gamma-ray bursts Gamma-ray bursts ((merging of double stars, merging of the merging of double stars, merging of the pair neutron star - black hole, collapse of the starpair neutron star - black hole, collapse of the star))

~70 m

12 lines (about 900 PMTs) 25 storeys / line 3 PMTs/storey

350 m

100 m

14.5 m

Junctionbox

Interlink cables

40 km toshore

Horizontal layout

Sea bed ~ -2500 m

a storey

ANTARES ANTARES detectordetector

Structure of the detectorStructure of the detector

Cherenkov method of neutrino Cherenkov method of neutrino registrationregistration

мюон

~5000 ФЭУ

neutrino

Atmospheric muon

Глубина(depth)>3000м

I. Нейтрино, идущие из дальнего космоса, пронизывают Землю, взаимодействуя с веществом

I. Нейтрино, идущие из дальнего космоса, пронизывают Землю, взаимодействуя с веществом

II. Взаимодействуя, нейтрино оставляет после себя заряженный лептон

II. Взаимодействуя, нейтрино оставляет после себя заряженный лептон

III. Мюоны от взаимодействия излучают черенковское излучение

III. Мюоны от взаимодействия излучают черенковское излучение

Reconstruction of the muon track by the time and position of the activated PMT

Дно Seabed

Natural water

Земля защищает от атмосферных мюонов.Восходящие мюоны только от нейтрино (космические, атмосферные)

Interaction of neutrino in the Earth’s crust (заряж. ток)

Source of the high-energy neutrino

Registration of Cherenkov light

Neutrino passes through

the Earth

Е.В.Широков 22 ноября 2013 г. Учёный Совет НИИЯФ и ОЯФ

Distribution of the ratios of rates of muons for Distribution of the ratios of rates of muons for experimental data experimental data и и Monte-Carlo modelling Monte-Carlo modelling

data; fit by Gauss function (Antares)data; fit by Gauss function (Antares)

Atmospheric muon vetoAtmospheric muon veto

cosmic neutrinoscosmic neutrinosatmospheric muonsatmospheric muons

R2 [103 m2]R2 [103 m2]

z [m

]

vertex cutdetector volume

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)

Signal / NoiseSignal / Noise

BDT (topology of event)

ev

ents

/ 6

mon

ths

atmospheric muonsatmospheric neutrinos (tracks)atmospheric neutrinos (showers)cosmic neutrinos (tracks)cosmic neutrinos (showers)

Прототипы башеньПрототипы башеньPrototypes of towersPrototypes of towers• НЕМОНЕМО (NEMO) (NEMO) Фаза-I Фаза-I (Phase-I(Phase-I ) –– минибашня (4 минибашня (4

этажа) возле порта Катании; этажа) возле порта Катании; small tower (4 small tower (4 floors) near the port of Cataniafloors) near the port of Catania

• НЕМО Фаза-IIНЕМО Фаза-II (Phase-II) (Phase-II) –– башня (8 этажей) Capo башня (8 этажей) Capo passero (3500 м); passero (3500 м); Tower (8 floors) Capo passero Tower (8 floors) Capo passero (3500 m)(3500 m)

• KM3NeT Фаза 1.5KM3NeT Фаза 1.5– НЕМО Фаза-III НЕМО Фаза-III (Phase-III) –(Phase-III) – 8 башень по 14 8 башень по 14

этажей, Capopassero;этажей, Capopassero; 8 towers with 14 floors in 8 towers with 14 floors in each tower, Capopasseroeach tower, Capopassero

– 24 струны с МультиФЭУ24 струны с МультиФЭУ (24 strings with (24 strings with MultiPMT)MultiPMT)

НЕМО Фаза-I (НЕМО Фаза-I (NEMONEMO Phase-I)Phase-I)

• Установка рядом с портом Установка рядом с портом КатанииКатании (installation near to (installation near to the port of Catania) the port of Catania)

• Проверка всех ключевых Проверка всех ключевых элементов конструкцииэлементов конструкции ((ссheck all structural heck all structural elements)elements)

• Проверка раскрытия Проверка раскрытия башнибашни (Check (Check the opening the opening of the tower)of the tower)

НЕМО Фаза-IIНЕМО Фаза-II (NEMO Phase- II) (NEMO Phase- II)

• установка на глубине 3500 мустановка на глубине 3500 м (installation at a depth of 3500 m)(installation at a depth of 3500 m)

• более года работыболее года работы (more than a (more than a year of work)year of work)

НЕМО Фаза-IIIНЕМО Фаза-III ((NEMO Phase-IIINEMO Phase-III))• Установка соединительной коробки и одной струны Установка соединительной коробки и одной струны

((installation of the junction box and one string )installation of the junction box and one string )• Доведение конфигурации до целого блока (8 струн по 14 Доведение конфигурации до целого блока (8 струн по 14

этажей по 6 ФЭУ 10’’)этажей по 6 ФЭУ 10’’) bringing up the configuration to the bringing up the configuration to the whole block (8 strings with 14 floors with 6 PMT 10 '')whole block (8 strings with 14 floors with 6 PMT 10 '')

KM3NetKM3Net project project• Предполагаемые сроки Предполагаемые сроки

сооружениясооружения (time of (time of developing)developing) – 2012-16 гг. – 2012-16 гг.

• Предполагаемый объём – Предполагаемый объём – 1.2 куб.км1.2 куб.км (volume 1.2 (volume 1.2 km^3)km^3)

NemoCapo Passero, Italy

-3500 m

KM3NeT

Архитектураarchitecture

нейтринный телескопneutrino telescope

береговая станцияshore station

удалённыйдоступ к данным

удалённыйконтрольdistance control

on off

компьютерныйцентр

computer center

Distance access to data

KM3NeT KM3NeT ФазаФаза-1.5-1.5

•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 •6 ОМ+ 2 гидрофона/этаж; 6 OM + 2 hydrophone / floor•~ 100 м между башнями ;~ 100 m between towers

•24 струны 24 strings•20 Оптических модулей на струне (20 optical modules on a string )•Оптический модуль (мульти-ФЭУ) Optical module (multi-PMT)

~ 600 m

‒31 x 3” ФЭУ 31 x 3“ PMT

‒LED & акуст. пьезо LED & acust. piezo

‒FPGA контроль и обработка данных FPGA control and data processing

УстановкаУстановка installation installation

Reusable coilDisclosure after connecting on the seabed

PMT Key features:PMT Key features:– Timing ≤ 4.5 ns (FWHM)Timing ≤ 4.5 ns (FWHM)– QE ≥ 25-30%QE ≥ 25-30%– collection efficiency ≥ 90%collection efficiency ≥ 90%– photon counting purity 100%photon counting purity 100% (by hits)(by hits)– price/cmprice/cm22 ≤ 10” PMT ≤ 10” PMT

ETEL

ETEL D792 Hamamatsu R12199 HZC XP53B20

The main results of MSU sThe main results of MSU sссientific group in the ientific group in the Mediterranean sea neutrino projects:Mediterranean sea neutrino projects:

• - - были разработаны различные прототипы фотоумножителей, которые могут применятся для были разработаны различные прототипы фотоумножителей, которые могут применятся для работы в составе глубоководных телескопов.работы в составе глубоководных телескопов.(various prototypes of photomultipliers have been developed, which can be applied for the work in (various prototypes of photomultipliers have been developed, which can be applied for the work in deep-sea telescopes)deep-sea telescopes)

• - решена проблемы биолюминисценции, свойственной детекторам, работающим в морской - решена проблемы биолюминисценции, свойственной детекторам, работающим в морской воде. В ходе проведённой работы удалось успешно создать несколько фильтров воде. В ходе проведённой работы удалось успешно создать несколько фильтров биолюминисценции, что позволило существенно ускорить расшифровку получаемых сигналовбиолюминисценции, что позволило существенно ускорить расшифровку получаемых сигналов (the problem of bioluminescence was fixed; during the process of this work multiple bioluminescence (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.filters were successfully created, which will significantly speed up the decoding of received signals.

• -разработан новый алгоритм поиска сверхновых, используемый для возможного обнаружения -разработан новый алгоритм поиска сверхновых, используемый для возможного обнаружения данного типа астрофизических объектов, являющихся источниками космических нейтрино. данного типа астрофизических объектов, являющихся источниками космических нейтрино. Данный алгоритм существенно улучшает так называемый «коэффициент качества» обработки Данный алгоритм существенно улучшает так называемый «коэффициент качества» обработки информации при регистрации нейтринных потоков от возможных вспышекинформации при регистрации нейтринных потоков от возможных вспышек (new algorithm for (new algorithm for finding supernovae has been developed; it is used to detect this type of possible astrophysical 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 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)"quality factor" of information processing in registration of neutrino fluxes from possible outbreaks)

• -выполнена работа по моделированию различных конфигураций оптических модулей для -выполнена работа по моделированию различных конфигураций оптических модулей для сооружаемого нейтринного телескопа с объёмом свыше 1 км3. Подобное моделирование сооружаемого нейтринного телескопа с объёмом свыше 1 км3. Подобное моделирование позволяет не только повысить эффективность детектора, но и уменьшить затраты на его позволяет не только повысить эффективность детектора, но и уменьшить затраты на его сооружениесооружение (work on modeling of different configurations of optical modules has been processed. (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 This modeling allows not only to improve the efficiency of the detector, but also to reduce the cost of its construction)its construction)

• - выполнен анализ большого количества экспериментальных данных от детектора - выполнен анализ большого количества экспериментальных данных от детектора ANTARES ANTARES за за период 2008-2010 гг; опробованы несколько различных критериев отбора событий для анализа период 2008-2010 гг; опробованы несколько различных критериев отбора событий для анализа данных; начаты работы по возможному гидроакустическому обнаружению астрофизических данных; начаты работы по возможному гидроакустическому обнаружению астрофизических нейтринонейтрино (the analysis of a large number of experimental data from the detector ANTARES for the (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 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)for analysis; started work on a possible acoustic detection of astrophysical neutrinos)

Thank you for your Thank you for your attentionattention