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Détection Acoustique de Neutrinos de UHE

Détection Acoustique de Neutrinos de UHE. TEL / Astropart. Phys. 26 (2006) 243-256 (astro-ph/0511617). V. Niess LPC, Clermont. L’Effet Thermo-Acoustique (TA). Prédit par Askariyan ( 1928-1997 ) : Atomnya Energiya 3, 8 ( 1957 ), pour la détection de cascades.

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Détection Acoustique de Neutrinos de UHE

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  1. Détection Acoustiquede Neutrinos de UHE TEL / Astropart. Phys. 26 (2006) 243-256 (astro-ph/0511617) V. Niess LPC, Clermont

  2. L’Effet Thermo-Acoustique (TA) • Prédit par Askariyan (1928-1997) : Atomnya Energiya 3, 8 (1957), pour la détection de cascades. • Phénomène connu par ailleurs comme l’opto-acoustique (1880, A.G. Bell) : couplage entre radiation EM (e.i. laser) et acoustique • Apparition à l’Ouest ~1970: DUMAND Workshops A.C. Tam, Rev. Mod. Phys. 58, No. 2 (1986) G.A. Askariyan et al., Nucl. Inst. 164 (1979) 267-278 J.G. Learned, Phys. Rev. D 19, No. 11 (1979) L. Sulak et al., Nucl. Inst, No 161 (1979) 203-217 1ére confirmation expérimentale avec faisceaux de protons ( à l’ouest … ) • Résurgence ~2000 : ANTARES / BAIKAL / ICE CUBE Activités de R&D au près des télescopes à n

  3. Des ‘Thermo-Acousticiens’ UK: ACoRNE ANTARES: AMADEUS (Erlangen) Stanford: SAUND Polygone d’écoute AUTEC Polygone d’écoute RONA NEMO: ONDE / Fibres optiques Baïkal: ITEP / Irkoutsk ICE CUBE: SPATS, CONDOR (hybride) ARENA Workshops: 2005 (DESY Zeuthen), 2006 (Newcastle), 2008 (Roma) www.shef.ac.uk/physics/arena

  4. L’Effet TA en Equations • Acoustique linéaire terme de couplage thermique: Couplage TA • Modèle thermo-acoustique: Justifié à posteriori par décomposition de Fourier 1er ) Relaxation acoustique Dr 2ème ) Diffusion / convection (concurrencé par absorption) (non pertinent car contenu HFsource) Equation d’onde TA avec terme source: Dilatation thermique Densité d’énergie déposée Capacité thermique

  5. Confirmations Expérimentales Lasers Faisceaux protons cuve Faisceau Laser Brookhaven (1976-1978) 32 MeV proton beam Hydrophone Nd:YAG (~100 mJ) La cuve de mesure (@Erlangen) Détecteurs d’ondes gravitationnels L. Sulak et al., Nucl. Inst, No 161 (1979) 203-217 P. Astone et al., Phys. Rev. Lett., 84, 1 (2000) Amplitude signal Varie comme (a/Cp)(T) EAS source de bruit mécanique par effet TA

  6. L’Eau Comme Milieu de Détection • Efficacité TA mesuré par paramètre de Gruneisen: gG ~1  Des ‘J’ donnent des ‘Pa’ Dans l’eau (liquide) H2O : gG avec p, T Dépendance via a principalement stratification verticale • Dans l’eau douce a s’annule à ~4 ºC: •  C’est la température de fond typique des grandes étendues d’eau … • Mers & Océans: a > 0, pas d’inversion mais T défavorable, sauf … • Méditerranée: T ~ 13-14 ºC stable après 100 m  émission TA +30-40%

  7. Différents Milieux de Détection AMADEUS / OnDE ACoRNE / SAUND TAIGA, nouveau ? Abandonné ? SPATS Pergélisol (permafrost) Mer / Océan Mines de sel Glace polaire Force signal  1 5-10 ~100 10 Propriétés acoustiques étudiées par ailleurs: + Infrastructure couteuse - Bruit faible ? - Absorption faible ? Volumes km3 Accessible mais couteux Propriétés acoustiques peu connues: + Développements Instrumentation - Bruit inconnu - Absorption mal connue 0.5-1 km maxi de fond 20% des Terres! Propriétés acoustiques peu connues: + Développement Instrumentation - Bruit inconnu - Absorption mal connue Grand volumes Accès difficile Propriétés acoustiques bien connues par ailleurs: + Instrumentation / Infrastructures + Pluridisciplinarité - Bruyant! - Absorbant ~BF Grand Volumes ~Accessible Baikal propagation d’ondes radio également Lac 0.1 ?? + propagation ~BF

  8. Le Terme Source • Energie macroscopique requise pour signal TA détectable  UHE(1018+ eV) • Emission TA favorisée par dépôt compacte  cascades & milieu dense Candidats ‘naturels’: n de UHE: transparents dans atmosph. / opaque dans Terre • 2 scénarios ‘limite’: - ne, CC: 100 % énergie dans cascades EM & hadronique - nL, CN: ~20 % énergie, en moyenne, dans cascade hadronique • Cascades de UHE (1018+ eV) en milieu dense: pas de données expérimentales simulations numériques + analogies cascades atmosph. (EAS) + extrapol. collisionneurs Ordre de grandeur: ‘Cible fixe’  énergie dans le c.m.

  9. Effet LPM en Milieu Dense LPM : Landau-Pomeranchuk-Migdal Suppression des sections efficaces de Bremsstrahlung et création de paire – par la Diffusion Multiple • Très important en milieu dense et à UHE (suppression causée par la Diffusion Multiple) • Energie seuil: E  ELPM ~1 PeV (H2O) • X0 ~ E1/2 en régime LPM  augmentation de X0 de 1-2 ordres de grandeur à UHE! • sBremsstrahlung & Création Paire ~mbarn @ 1020 eV Création de paire concurrencée par interactions photo nucléaires / ‘ralentissement’ du régime LPM ELPM ~ 1 PeV LPM ‘dur’ non contraint experimentalement ! Incertitude théorique ~2 (ACoRNE, astro-ph/0704.1025)

  10. Cascades de UHE: Profil Longitudinal Cascades EM / ne CC Comportement stochastique à UHE Cascades hadroniques / nL CN p, extrap. GEANT4 Accord ~ EAS cascades EM GEANT 4 + alg. itératif p, Int. photo-nucl. (ACoRNE, astro-ph/0704.1025)

  11. Cascades de UHE: Profil Latéral • Le profil latéral détermine l’amplitude / la cohérence du signal acoustique Principale dépendance selon profondeur cascade, E  100 TeV Variations en loi de puissance cœur Périphérie ( EM ) périphérie Cœur ( EM & hadronique ) LPM • Importance de la zone du cœur: ultra collimation par ‘boost’ relativiste •  Divergence en 1/rn jusqu’à r < 10-4 Rm / Observé au microscope: N. Hotta et al., Phys. Rev. D 22, 1 (1980) • Sous estimé précédemment (~1970) / Signal acoustique réévalué à la hausse par un facteur 2 depuis • Cœur: forme ‘standard’ à E  100 TeV / Dominé par comportement ~zmax en régime LPM

  12. La Propagation • Signal impulsionnel HF: •  Effets de phase prépondérant / Utilisation de techniques de rayons / Réfraction •  Atténuation absorption en 1/r1/2 / Type diffusion • Géométrie asymétrique / cylindrique source: •  Très forte directivité du signal / pertes géométriques faibles Absorption eau de mer renforcée par déplacements équilibre dissociation chimique Réponse impulsionelle B(OH)3 Transition MgS04 1 km MgS04 30 kHz Bonnes propriétés de propagation / difficulté détection

  13. Champ Proche / Lointain 1 km Champ proche source signal EM LPM Hadronique Longeur cascade • Source acoustique cohérente étendue: •  approximation diffraction  non valable Champ lointain • Transition entre conditions de: (dépend de L cascade et distance r) • Champ proche, imagerie point à point de la cascade / émission orthogonal à cascade • Champ lointain, dégradation de l’information sur la source quasi-ponctuelle / Dq = 2*0.5º

  14. Forme du Signal Le signal est une bi-impulsion Zone LPM zone exclue Transition MgS04 • Sa forme dépend de: • La distance r à la source • La longueur L de la source La durée du signal augmente en r1/2 / absorption Le signal se symétrise en conditions de champ lointain Nécessite un détecteur large bande & réponse impulsionelle calibré

  15. Le Bruit ~100 kHz 1 bar @ 1 m Dauphins (échos HF) signal @ 1 km crevette ‘claqueuse’ (prédation) Bruit propre piezo-céramique Bruit ambiant: mesuré en 39-45! (Knudsen) Origine = surface : atténuation avec profondeur?

  16. Sensibilité Limites de sensibilité pour 1 hydrophone ‘étalon’ sur le site d’ANTARES ( 2500 m de fond, hydrophone à 448 m de hauteur, 1 d’observation ) Limite sur un flux en 1/E2:  1 an effectif d’observation Compétition entre volume sonore qui croit avec E et flux qui décroit La sensibilité augmente avec E! Jusqu’à venir ‘buter’ sur les limites du milieu … C’est aux énergies extrêmes ~1021+ eV que la méthode apparait le plus efficace

  17. Solitons à l’embouchure de Gibraltar (Octobre 1984, Challenger 6). Des ondes internes sont générées à une profondeur de 60 à 80 m, sous l’effet des marées, à la rencontre des eaux plus douces et légères de l’Océan Atlantique et des eaux plus denses et salées de la Méditerranée. La distance séparant 2 trains d’ondes sucessifs est de 60 km, leur périodicité de 24 h.

  18. Effets aux Limites Hauteur d’eau H: 2-4 km  limitations fond / surface importantes r~10 km • Réflexion surface interface eau/air: totale mais rugosité / bulles • Réflexion fond: variable selon roches ( 3-20 dB )  perte de cohérence HF Réfraction  rotation d’ensemble du front d’onde Rayon courbure Rc ~ 90 km Perte d’efficacité Fond / Surface: (signal ‘perdu’ par réflexion) e : réduction du volume sonore Ombre acoustique Champ proche (disque) Perte d’efficacité par Ombrage acoustique Champ lointain (section de sphère) Modélisation géométrique des signaux r  100 km: inhomogénéités latérales Rayons chaotiques / perte de cohérence

  19. Reconstruction: Antennes Acoustique • L’efficacité de détection en coïncidence décroit avec l’espacement d entre hydrophones: S = 1-10 m z (448 m)  Une détection efficace doit être locale utiliser des événements non contenus … • La majorité des événements détectés sont distants:  Localement le front d’onde est plan • 4 hydrophones: reconstruction par mesure de temps d’arrivée de la direction locale du signal (Dn~1º) et de sa vitesse (Dcs~3 m/s / 0.2 %) • Mesure précise de cs  critère fort sur la nature acoustique du signal • La cascade est orthogonale à la direction du signal / réfraction ~ 0.5 º / km • Energie distance r à la source: estimation par durée du signal Dt ~r1/2/ ondes P & S dans les solides ?

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