Διδακτορική Διατριβή

Transcript

1 Απόστολος Γ. Τσιριγώτης Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο Σχολή Θετικών Επιστημών & Τεχνολογίας Εργαστήριο Φυσικής Λειτουργικά χαρακτηριστικά και ανιχνευτική ικανότητα πρότυπου ανιχνευτή του υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ: Μέτρηση της ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων σε θαλάσσιο βάθος 3800m Εισαγωγή Πειραματική Μεθοδολογία Διδακτορική Διατριβή Συμβολή στην Οργανολογία και στην επεξεργασία σήματος Συμβολή στην προσομοίωση του ανιχνευτή και στην βελτιστοποίηση των πειραματικών παραμέτρων Συμβολή στην αξιολόγηση της λειτουργικότητας του ανιχνευτικού συστήματος Συμβολή στην ανάπτυξη μεθοδολογίας ανακατασκευής τροχιών των μιονίων Συμβολή στην μέτρηση της ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων

2 Τα νετρίνα ως πηγή πληροφοριών CMB 2.73 Κ 1pc=3.26 ly= m Τα νετρίνα δεν αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικώς Γαλαξιακά και εξωγαλαξιακά μαγνητικά πεδία εκτρέπουν τις φορτισμένες κοσμικές ακτίνες Τα νετρίνα εκτρέπονται μόνο από τα ασθενή βαρυτικά πεδία

3 Βασικές Ιδιότητες των νετρίνων Spin: ½ (φερμιόνια) Τύπος: λεπτόνια Γεύσεις: μιονική, ηλεκτρονική, ταυ Μάζες: πολύ μικρές (διαφορετικές μάζες) Αλληλεπιδράσεις: Ασθενής, Βαρυτική Ιδιαιτερότητες: μίξη των γεύσεων Ανίχνευση: μόνο μέσω αλληλεπίδρασης

4 ν μ Ανίχνευση νετρίνων Μεγάλος ενεργός όγκος Αποδοτική ανίχνευση μιονίων Ανιχνευτής μιονίων (Ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις) Όγκος αλληλεπίδρασης ν μ d W + u Θ ν-μ μ - μ- ο 7

5 Ακτινοβολία Cherenkov

6 Ακτινοβολία Cherenkov γ c μιόνιο υp 1 cosθc = = υ βn() λ β = υ c E μ > 10 GeV β ~1 n(420 nm ) = θ c = 42.5 o dn dxd 2πα 1 = (1 ) n ( ) λ λ β λ 250 φωτόνια Cherenkov ανά cm τροχιάς

7 Cherenkov Wavefront Experimental Principle Photo-Sensor (Photomultiplier- PMT) Muon Trajectory Cherenkov Photon

8 Τοποθεσία πόντισης του τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ

9 Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά της τοποθεσίας ΝΕΣΤΩΡ Ευρύ βαθύπεδο διαστάσεων 8x9 km 2 Αργιλώδες ίζημα με καλές ιδιότητες αγκυροβόλησης Βάθος: ~3800m ( 5200m) Μήκος διάδοσης: m (λ=460 nm) Υποθαλάσσια ρεύματα: <10cm/sec Θόρυβος Οπτικού Υποβάθρου: ~50kHz/PMT από το Κ 40, Βιοφωταύγεια (1.1% του ενεργού πειραματικού χρόνου)

10 NESTOR TOWER 32 m diameter 30 m απόσταση μεταξύ ορόφων 144 PMTs Ενεργειακό κατώφλι 4GeV m 2 Ενεργός Επιφάνεια για E>10TeV

11 Ανιχνευτής που κοιτά σε στερεά γωνία ±50 γύρωαπότοναδίρ Neutrino attenuation calculated according to R.Gandhi, C.Quigg et.al., Astropart.Phys. 5 (1996) , Phys.Rev. D58 (1998) no 9 pp 93009

12 Φυσική ραδιενέργεια Πηγές οπτικού θορύβου Βιοφωταύγεια K 5.2x10-5 gr/lt K Ca+ e + v e (89.5%) Χρόνος ημίσεως ζωής 1.28x10 9 yrs 13 διασπάσεις /lt/sec 240keV ~50kHz/PMT Φωτεινές εκλάμψεις διάρκειας 1-10sec Εξαρτάται από την τοποθεσία Ελαττώνεται εκθετικά με το βάθος Μεταβάλλεται εποχιακά Συσχετίζεται με τα υποθαλάσσια ρεύματα Συνεισφέρει (1.1%) στο νεκρό χρόνο του ανιχνευτή

13 Ηλεκτρονικό Σύστημα Ελέγχου και Συλλογής Δεδομένων: Τα ηλεκτρονικά της σφαίρας τιτανίου Περιβαλλοντικοί αισθητήρες 6 Θερμόμετρα 1 Υδρόμετρο 3 Υγρόμετρα 3 Επιταχυνσιόμετρα 1 Κλισιόμετρο 1 Πυξίδα Σταθμός ξηράς Παροχή Ισχύος Μετάδοση σήματος και εντολών ελέγχου Μετάδοση του σήματος των PMTs Παροχή χαμηλής τάσης (24V) Σήμα ελέγχου και παρακολούθησης υψηλής τάσης των PMTs

14 Floor Board Ανίχνευση των παλμών των PMTs Εφαρμογή κριτηρίων επιλογής γεγονότων Ψηφιοποίηση των κυματομορφών των PMTs Μορφοποίηση πακέτων δεδομένων Επαναπρογραμματισμός των FPGAs/PLD Επικοινωνία με το σταθμό ξηράς (Shore Board): Αποστολή των πακέτων δεδομένων και λήψη εντολών ελέγχου 5 ATWDs Ανίχνευση του σήματος των PMTs & Ψηφιοποίηση των κυματομορφών Είσοδος: 12 σήματα PMTs Γραμμές χρονικής καθυστέρησης Προγραμματιζόμενη λογική μονάδα (PLD) Λογική Σκανδαλισμού & Επικοινωνία (FPGAs)

15 Housekeeping Board Έλεγχος της υψηλής τάσης των φωτοπολλαπλασιαστών Έλεγχος των LED μονάδων 12-bit ψηφιοποίηση βαθμονόμησης Παρακολούθηση του συστήματος διανομής ισχύος Ανάγνωση περιβαλλοντικών αισθητήρων

16 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά Shore Board Floor Board

17 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά: Σύστημα ταχέως Ελέγχου Περιβαλλοντικές παράμετροι κατά τη διάρκεια της πόντισης του πρότυπου ανιχνευτή τον Απρίλιο του 2003 Ταχύτητα υποθαλασσίων ρευμάτων Κατακόρυφη συνιστώσα της ταχύτητας Κλισιόμετρα Πιεσόμετρο Πυξίδα Θερμοκρασία του Floor Board Οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας

18 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά: Σύστημα Ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων Σταθερότητα κατανομής ύψους παλμών Ιστογράμματα ποιότητας δεδομένων Ρυθμός καταμέτρησης PMTs Σταθερότητα του ρυθμού σκανδαλισμού Ρυθμοί καταμέτρησης διπλών και τριπλών συμπτώσεων Ρυθμός διπλών συμπτώσεων Ρυθμός τριπλών συμπτώσεων

19 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά: Σύστημα Ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων Ανακατασκευή κυματομορφών PMTs Ιστογράμματα ποιότητας δεδομένων Ποσοστό πειραματικού χρόνου δράσης βιοφωταύγειας και ποσοστό συνολικού νεκρού πειραματικού χρόνου Ρυθμός καταμέτρησης των PMTs συναρτήσει του επιπέδου σύμπτωσης Σταθερότητα της περιόδου δειγματοληψίας των ATWDs Σταθερότητα της απολαβής των καναλιών ψηφιοποίησης με χρήση ηλεκτρονικού σκανδαλισμού Mean : 3.66ns Sigma: 5ps Ηλεκτρονικός σκανδαλισμός με παλμό ύψους 450mV 450mV/250counts =1.8 mv/count

20 Επεξεργασία σήματος: Βαθμονόμηση των γραμμών μεταφοράς του σήματος Y(f) = H(f) X(f) y(t) x(t) Στενός Ηλεκτρονικός Παλμός Γραμμή Χρονικής Καθυστέρησης και Ενισχυτής Υβριδικό Καλώδιο

21 Επεξεργασία σήματος Έλεγχος της δομής των πακέτων δεδομένων Παραμετροποίηση των κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών Αφαίρεση του θορύβου των ηλεκτρονικών Ανακατασκευή περικομμένων παλμών, λόγω της πεπερασμένης δυναμικής κλίμακας των ηλεκτρονικών ψηφιοποίησης Διόρθωση του ύψους και του χρονισμού των παλμών εξαιτίας των γραμμών μεταφοράς του σήματος Διαχωρισμός αλληλο-επικαλυπτόμενων παλμών Προσδιορισμός του χρόνου άφιξης Ανακατασκευή του σήματος σκανδαλισμού Καταγραφή των αποτελεσμάτων επεξεργασίας σε βάση δεδομένων

22 Επεξεργασία σήματος: Παραμετροποίηση κυματομορφών Ψηφιοποιημένη κυματομορφή Αφαίρεση των pedestals από κάθε δείγμα ADC counts Voltage & Sample Number Time δn=n 2 -n 1 t = s N T δn Παραμετροποίηση της κυματομορφής

23 Επεξεργασία σήματος: Αφαίρεση του ηλεκτρονικού θορύβου και ανακατασκευή περικομμένων παλμών Μικρή παρεμβολή του περιοδικού σήματος στα κανάλια των ATWD έχει παραμετροποιηθεί και αφαιρείται από την κυματομορφή του σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών Ανακατασκευή περικομμένων παλμών με χρήση πρότυπων παλμών ~1800mV

24 Επεξεργασία σήματος: Διόρθωση της εξασθένισης και διαχωρισμός αλληλο-επικαλυπτόμενων παλμών y(t) N-1 Y(f j) = y(t n)e n=0 -i2πf t j n Y(f) X(f) = H(f) N-1 1 x(t n) = X(f j)e N j=0 i2πf t j n x(t)

25 Επεξεργασία σήματος: Προσδιορισμός του χρόνου άφιξης Με χρήση του σημείου καμπής τηςαύξουσαςπλευράςτουπαλμού Με χρήση του κατωφλίου τάσης Voltage (mv) Σημείο καμπής Voltage (mv) Χρόνος άφιξης Time (ns) Χρόνος άφιξης Time (ns)

26 Επεξεργασία σήματος: Αποτελέσματα και απόδοση Σύγκριση παλμού εισόδου με τον ανακατασκευασμένο παλμό πριν και μετά την διόρθωση για την εξασθένιση Είσοδος Πριν στην τηνσφαίρα επεξεργασία τιτανίου του σήματος Πριν ο από Πριν την την διόρθωση επεξεργασία για την του εξασθένιση σήματος Μετά την επεξεργασία του σήματος Μετά από την διόρθωση για την εξασθένιση Μετά την επεξεργασία του σήματος Σύγκριση της κατανομής ύψους παλμών πριν και μετά την επεξεργασία σήματος RMS 0.8ns Σύγκριση της ακρίβειας ανακατασκευής της θετικής ακμής των παλμών πριν και μετά την επεξεργασία του σήματος RMS 2ns

27 Βαθμονόμηση του Ανιχνευτή in situ 20m 20m Διόρθωση στον χρόνο άφιξης (slewing) Ακρίβειας εκτίμησης του χρόνου άφιξης των φωτονίων

28 Προσομοίωση του Ανιχνευτή Παραγωγή μιονίων και ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικών και αδρονικών καταιονισμών στην βαθιά θάλασσα Αλληλεπιδράσεις των φορτισμένων λεπτονίων με το νερό Πηγές οπτικού θορύβου (οπτικό υπόβαθρο) στην θάλασσα Απόκριση των φωτοπολλαπλασιαστών στα οπτικά φωτόνια Μετάδοση των κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών κατά μήκος των γραμμών μεταφοράς του σήματος Σύστημα συλλογής και μετάδοσης των δεδομένων

29 Προσομοίωση του Ανιχνευτή: Φυσικές διαδικασίες και αλληλεπιδράσεις Σωματίδιο Όλα Φυσικές Διαδικασίες Διασπάσεις (ασταθή), πολλαπλή σκέδαση (φορτισμένα), συνεχής απώλεια ενέργειας, ιονισμός του μέσου και παραγωγή δ-ray (φορτισμένα), Ακτινοβολία Cherenkov (φορτισμένα) μ - /μ + Ακτινοβολία πέδησης, φωτοπυρηνική αλληλεπίδραση, άμεση παραγωγή ζευγών (e +,e - ) e - /e + γ Αδρόνια Οπτικά φωτόνια Ακτινοβολία πέδησης, εξαύλωση ζευγών (e+,e-) Δημιουργία ζευγών, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, σκέδαση Compton Αδρονικές αλληλεπιδράσεις Απορρόφηση, σκέδαση Rayleigh, διάθλαση & ανάκλαση σε διαχωριστικές επιφάνειες των μέσων διάδοσης

30 Προσομοίωση του Ανιχνευτή: Προσομοίωση του Οπτικού Στοιχείου Γεωμετρικά χαρακτηριστικά Προσομοίωση κβαντικής απόδοσης Προσομοίωση διαφάνειας υλικών που περιβάλλουν τον φωτοπολλαπλασιαστή

31 Προσομοίωση του Ανιχνευτή: Απόκριση των φωτοπολλαπλασιαστών Απόκριση συναρτήσει του σημείου πρόσπτωσης φωτονίου στη φωτοκάθοδο Κατανομή ύψους παλμών k U i k p i Πρότυπος παλμός N i V(t)= p U f(t-t ) k k k i i i i k=1 k f(t - T i )

32 2003 Successful deployment of one NESTOR star with 12 Optical Modules to 4000m using the cableship RAYMOND CROZE (FranceTelecom) 29 th of March: The first deep sea muon data transmitted to shore

33 NESTOR Star Deployment (March 2003)

34 Απόδοση του πρότυπου ανιχνευτή Προσομοίωση 2.26x10 7 ατμοσφαιρικών μιονίων και σύγκριση των κατανομών βασικών πειραματικών παραμέτρων με τις προβλέψεις του λογισμικού προσομοίωσης Ρυθμός σκανδαλισμού συναρτήσει της πολλαπλότητας σύμπτωσης Πειραματικά δεδομένα Πρόβλεψη προσομοίωσης (σήμα από μιόνια & πηγές θορύβου) Αριθμός συλλεγμένων φωτοηλεκτρονίων μέσα στο παράθυρο σκανδαλισμού Ρυθμός (Hz) Ρυθμός (Hz) Σήμα μόνο από μιόνια Σήμα μόνο από μιόνια Κατώφλι 30mV Επίπεδο σύμπτωσης Κατώφλι 120mV Αριθμός PEs στο παράθυρο σκανδαλισμού Κατώφλι 30mV Κατώφλι 120mV Επίπεδο σύμπτωσης Επίπεδο σύμπτωσης Επίπεδο σύμπτωσης

35 Απόδοση του πρότυπου ανιχνευτή Κατανομές ύψους παλμών ενός PMT, σε μονάδες του ενός φωτοηλεκτρονίου, για συμπτώσεις υψηλής πολλαπλότητας + MC Πρόβλεψη Πειραματικά δεδομένα Η κατανομή των χρόνων άφιξης των συλλεγμένων φωτοηλεκτρονίων σε σύγκριση με την αντίστοιχη αναμενόμενη κατανομή από το λογισμικό προσομοίωσης για γεγονότα 6-πλού ή υψηλότερου επιπέδου σύμπτωσης ο Πειραματικά δεδομένα MC Πρόβλεψη

36 Ανακατασκευή τροχιών Με χρήση του χρόνου άφιξης των παλμών των PMTs d d m γ (L + d tanθ c) texp = + = c (c/n) c L= cosφ sinθ (x V x) + sinφ sinθ (y V y) + cosθ (z V z) d = [(x V ] + + [ ] x) L cosφ sinθ (y V y) L sinφ sinθ (z V z) L cosθ t exp =f(θ,φ,vx,vy,vz) d (x,y,z) L-d m θ c d γ Track Parameters θ : zenith angle φ: azimuth angle (Vx,Vy,Vz): pseudo-vertex coordinates d m (V x,v y,v z ) pseudo-vertex χ Νhit exp data t t = data i= 1 σi 2 i i 2

37 c Track Candidat e Numb er of Hits Numb er of Used Hits Numbe r of Degree s of Freedo m Zenith Angle (Degree s) (± 35) Azimut h Angle (Degree s) 82 (± 38) Impact Paramete r Vx (m) (m) (± 21) Pseudovertex Vy (m) 30 (± 23) Vz (m) 42 (± 9) χ 2 -lnl ch (± 10) 33 (± 29) 9 43 (± 15) 32 (± 16) -4 (± 8)

38 Περισσότερες από μία υποψήφιες τροχιές λόγω εγγενούς γεωμετρικού εκφυλισμού Τα μέτωπα κύματος της ακτινοβολίας Cherenkov δύοτροχιώνμιονίωνμεγωνία2θ c, συμπίπτουν στην περιοχή κοντά στον ανιχνευτή Ανακατασκευή τροχιών Επιλογή της βέλτιστης τροχιάς Πειραματικά δεδομένα Πρόβλεψη MC Άρση του εκφυλισμού με χρήση του φορτίου Vdata N hit = L P(V ; μ ) μexp ph i data i= 1 exp Ύψος παλμού σε μονάδες PEs Φωτοπιθανοφάνεια Αναμενόμενος μέσος αριθμός PEs ~2θ c Poissonian με μέση τιμή P(V ; μ ) = i data exp μexp R(V i data ;n) P(V ; μ ) i data exp = n= 1 n μ ( μexp) e n! exp R(V i data ;n)

39 Ανακατασκευή τροχιών Κριτήρια επιλογής υποψήφιων τροχιών Παράμετρος κρούσης - + 6m MC Πρόβλεψη Πειραματικά δεδομένα Κατανομή των ζενιθιακών γωνιών των επιλεγμένων τροχιών - + MC Πρόβλεψη Πειραματικά δεδομένα Αρνητικόςλογάριθμοςτης φωτοπιθανοφάνειας 16 Αζιμουθιακή κατανομή επιλεγμένων τροχίων Αριθμός συλλεγμένων PEs 4N hits - + Πειραματικά MC Πρόβλεψη δεδομένα + MC Πειραματικά Πρόβλεψηδεδομένα - + MC Πρόβλεψη Πειραματικά δεδομένα

40 Ανάλυση σφαλμάτων & έλεγχος της ποιότητας των επιλεγμένων τροχιών Mean=0 Sigma~1 Pull κατανομή Εκτιμώμενο σφάλμα υπολογισμού της ζενιθιακής γωνίας θ rec θ σ rec true Τρισδιάστατη γωνιακή απόκλιση Mean 14 Peak 8.5 Sigma 8.5 Mean 11 Spread 12 90%

41 Κατανομή των ζενιθιακών γωνιών Ζενιθιακή κατανομή για 745 επιλεγμένες τροχιές data dn =Io cos α ( θ ) dω dt ds π /2 o 0 N = ε 2 π TSI cos()d α θ θ I = o Ndata (α +1) < ε > 2 πτs MC πρόβλεψη Πειραματικά δεδομένα α =4.5± 0.8 (ΝΕΣΤΩΡ 1992) Στατιστική ομοιότητα 52% I = ± cm s sr o

42 Μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων dn α o dω dt ds = Icosθ Εκτίμηση μέσω της εκτεταμένης πιθανοφάνειας σε κλάσεις & επαναπροσδιορισμό των στατιστικών βαρών των Monte Carlo γεγονότων w( θ, α) m(α) i d i 2 (m i (α) x) k di λx (λ x) e 1 2 2σi L= e dx i= 1 d! m( i α ) b i 2π σi Ι 2π TS λ = ο M(α) (α +1) o

43 Μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων α dn α o dω dt ds = Icosθ I o α = 4.7 ± 0.5 I = (9.0 ± 0.7) 10 cm s sr o Παράγοντας συσχέτισης 86%

44 Μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων Στατιστικές ιδιότητες της μεθόδου εκτίμησης MC προσομοίωση 1000 δοκιμαστικών δειγμάτων g g 9 γεγονότων στο σημείο { α = 4.8, I = 9 10 } 0 Εκτίμηση των παραμέτρων { α, Ι 0} καιτηςμήτραςσφαλμάτωνd R= 2 ln L L(α,I ˆ ˆ ) g g (α,i o) o 9 α = I 0 = 4.8 g T g α -αˆ α -αˆ 1 Λ = D g ˆ g I ˆ o-i o Io-I o P(R,2) P(Λ,2)

45 Μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων Εκτίμηση με χρήση της διαφορικής απόδοσης (blind fit) Διαφορική απόδοση # ανακατασκευασμένων τροχιών στην κλάση i # τροχιών προσομοίωσης στην κλάση Δθ dn di = dω dt ds e (α )T2π sin θ Δθ S α =4.6± 0.4 o i o i I = ± cm s sr

46 Μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων Συστηματικά σφάλματα Συνεισφορά στα συστηματικά σφάλματα (% της εκτίμησης) Πηγή συστηματικού σφάλματος I o α Κριτήρια επιλογής 2% 2% Επαναπροσδιορισμός στατιστικών βαρών και ορισμός των κλάσεων του ιστογράμματος των ζενιθιακών γωνιών Ενεργειακή εξάρτηση της κατανομής της ζενιθιακής γωνίας ~0% ~0% 3% 4% o Συναρτησιακή παραμετροποίηση της ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων α =4.7± 0.5( stat) ± 0.2( syst) ~0% ~0% I = ± ( stat) ± ( syst)cm s sr

47 Μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων reweighting Blind fit Okada model dn dω dt ds =J e o β - cosθ

48 Σύγκριση με άλλα πειράματα και φαινομενολογικά μοντέλα Edgar V. Bugaev, et al, Physics Review D58, (1998). α = 4.7 ± 0.5( stat) ± 0.2( syst) I = ± ( stat) ± ( syst)cm s sr o

49 Συμπέρασμα Το αντικείμενο της διατριβής αφορά: Την αξιολόγηση των λειτουργικών παραμέτρων ενός πρότυπου ανιχνευτή του υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ : των συστημάτων τροφοδοσίας και κατανομής της ισχύος των συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου του ανιχνευτή της αλυσίδας συλλόγης και μετάδοσης των πειραματικών δεδομένων από τη θάλασσα στο σταθμό ξηράς Την αξιολόγηση της ανιχνευτικής ικανότητας του προτεινόμενου τηλεσκοπίου νετρίνων στην ανίχνευση και ανακατασκευή τροχιών μιονίων Αναπτύχθηκε πειραματική μεθοδολογία και τεχνολογικές εφαρμογές καθώς και καινοτομικές τεχνικές ανάλυσης πειραματικών δεδομένων. Επιτεύχθηκε η ακριβέστερη παγκοσμίως μέτρηση της ροής ατμοσφαιρικών μιονίων σε μεγάλο θαλάσσιο βάθος

50 Operation and performance of the NESTOR test detector Accepted by Nuclear Instruments and Methods A Referee's report The paper describes design, operation and performance of a prototype module of the NESTOR neutrino telescope and sketches the analysis of the resulting data. The results presented establish a proof of principle of the NESTOR detector design and, more generally, add to the credibility of neutrino telescopy with deep-sea installations. The paper is therefore clearly of high scientific value; its publication in NIMA is recommended.

51 A Measurement of cosmic-ray muon flux with a module of the NESTOR neutrino telescope Accepted by Astroparticle Physics Journal Referee's report This reviewer has critically read the "A Measurement of the Cosmic-ray Muon Flux..." paper. Frankly, and most unusually for this reviewer, I have no suggestions for changes for this paper. It is extremely well written, presents a tremendously detailed and sophisticated analysis technique (the best I have seen for this sort of problem), and produces the most accurate results on this particular topic as of this time. I would suggest rapid publication of the paper without change. The NESTOR collaboration is certainly to be congratulated on producing such a surpisingly precise angular distribution and flux measurement from a detector of relatively small lever arm and not very great area. It appears that they have accomplished their goal of demonstrating the power of the star configuration of NESTOR to reconstruct tracks (about which this reviewer was rather skeptical).

52 NESTOR (NEUTRINO EXTENDED SUBMARINE TELESCOPE WITH OCEANOGRAPHIC RESEARCH) G. Stavrakakis Institute for Geodynamics, Athens Observatory E. G. Anassontzis, A. Manousakis-Katsikakis, L. K. Resvanis, G. Voulgaris A. Aloupis, J. Kontaxis, S. Nounos, P. Preve Physics Dept., University of Athens P. Grieder, P. Minkowsky, M. Passera Physics Dept, University of Bern A. Ball CERN G. Grammatikakis, J. Gialas PhysicsDept., University of Crete P. Katrivanos, I. Papazoglou, I Siotis NRCPS DEMOKRITOS D. Korostylev, J. Makris, O. Vasiliev, N.Zjabko Institute for Geophysics, University of Hamburg J. G. Learned, S. Matsuno, R. Mitiguy, M. Rosen Dept. of Physics and Astronomy,University of Hawaii E. Fahrun, G. Green, U. Keussen, Th. Knutz, P. Koske, J. Rathlev, Th. Schmidt, D. Eilstrup, J. Mielke, N. Schmidt, W. Voigt Institute of Experimental and Applied Physics, Center for Applied Marine Sciences Research and Technology Center West Kueste ( FTZ Buesum) University of Kiel W. Chinowsky, J. Ludvig, D. Nygren, G. Przybylski, J. Sopher, R. Stokstad Lawrence Berkeley National Laboratory E. Markopoulos, K. Papageorgiou, L.K. Resvanis, T. Staveris, V. Tsagli N. Arvanitis, A. Babalis, A. Darsaklis, J. Kiskiras, G. Limberopoulos, Th. Michos, J. Tsirmpas, A. Vougioukas NESTOR Institute for Deep Sea Research, Technology and Neutrino Astroparticle Physics P.E. Christopoulou, Ch. Goudis, C. Politis Physics and Astronomy Dept., University of Patras G. Agouras, B. Verganelakis, G. Bourlis,, A. Leisos, A. Tsirigotis, S. Tzamarias School of Science and Technology, Hellenic Open University Ch. Eleftheriadis,Ch. Lazaridis, M. Myronakis, A. Nikolaidis, M. Tsiakiris Department of Physics, Aristotelian University of Thessaloniki V.V. Ledenev O. Vaskine, K. Komlev Experimental Design Bureau of Oceanological Engineering A.V. Butkevich, L.G. Dedenco, S.K. Karaevsky, A. Mironovich, N.M, Surin, I.M. Zheleznykh, V. A.Zhukov L.M. Zacharov, A. Shnyrev Institute For Nuclear Research, Russian Academy of Sciences

53 Το Οπτικό Στοιχείο του Ανιχνευτή Μεταλλάκτης συνεχούς Βάση PMT μ-metal Hamamatsu PMT R (15 με 13 δυνόδους) Σφαίρα Benthos Κλωβός μ-metal Μετρητής πίεσης Δίσκος αλουμινίου Hamamatsu PMT στην σφαίρα BENTHOS PMT R

54 Housekeeping Board Έλεγχος της υψηλής τάσης των φωτοπολλαπλασιαστών Έλεγχος των LED μονάδων βαθμονόμησης Παρακολούθηση του συστήματος διανομής ισχύος Ανάγνωση περιβαλλοντικών αισθητήρων 12-bit ψηφιοποίηση 12 αναλογικά σήματα ελέγχου της υψηλής τάσης των PMTs Αναλογικά σήματα εξόδου περιβαλλοντικών και ηλεκτρικών αισθητήρων Τάση ρύθμισης των μεταλλακτών συνεχούς ρεύματος των Οπτικών Στοιχείων Σήματα ρύθμισης λειτουργίας των LED μονάδων βαθμονόμησης Ενεργοποίηση των PMTs και LED μονάδων βαθμονόμησης

55 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά: Ο Διακομιστής Shore Board Εντολές Ελέγχου Υψηλή τάση των PMTs Παράμετροι και κριτήρια της λογικής σκανδαλισμού Εύρος του χρονικού παράθυρου σύμπτωσης Κατώφλια τάσης των PMTs Εντολές Ηλεκτρονικής βαθμονόμησης Εντολές βαθμονόμησης με χρήση των LEDs Συχνότητα δειγματοληψίας των ATWD Πακέτα Δεδομένων Έλεγχοςτηςδομήςτων πακέτων δεδομένων Κατασκευή ηλεκτρονικού ημερολογίου Κατασκευή Αρχείων δεδομένων Πρόγραμμα λογισμικού (C++) το οποίο ελέγχει τη λειτουργία του ανιχνευτή μέσω του Shore Board.

56 Βαθμονόμηση του Ανιχνευτή: Κατανομή ύψους παλμών ενός φωτοηλεκτρονίου MC προσομοίωση Αριθμητική λύση Προσαρμογή με Polya 0.8 p.e.s/παλμό Κατανομή Polya P(x) = ( ax/m ) a -a x/m, x Γ(a) M x=m σ x = a e 0.5 p.e.s/παλμό 0.2 p.e.s/παλμό

57 Απόδοση των κριτηρίων επιλογής a) Τελικώς επιλεγμένο δείγμα τροχιών b) Χωρίς χρήση του κριτηρίου επιλογής της φωτοπιθανοφάνειας c) Χωρίς χρήση του κριτηρίου επιλογής της παραμέτρου κρούσης d) Χωρίς χρήση του κριτηρίου επιλογής του συνολικού αριθμού φωτοηλεκτρονίων

58 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά: Σύστημα ταχέως Ελέγχου Περιβαλλοντικές παράμετροι Θερμόμετρα Υγρόμετρα/Υδρόμετρα Πυξίδα Κλισιόμετρα/Επιταχυνσιόμετρα Πιεσόμετρα Ταχύτητα υποθαλασσίων ρευμάτων Ηλεκτρικές παράμετροι Τάση τροφοδοσίας σφαίρας τιτανίου Υψηλές τάσεις PMTs Τάσεις τροφοδοσίας ηλεκτρονικών Απόδοση Ανιχνευτή Συχνότητα απαρίθμησης PMTs Συχνότητα σκανδαλισμού Κατάσταση του συστήματος συλλογής δεδομένων Πρόγραμμα λογισμικού (LabView) του συστήματος ταχέως ελέγχου

59 Βαθμονόμηση του Ανιχνευτή: LED Σύστημα βαθμονόμησης Έλεγχος απολαβής Χρονισμός των PMTs Γωνιακή κατανομή εκπεμπομένων φωτονίων Φάσμα LED (NSPB520S) Μετρήσεις εργαστηρίου Γωνιακή κατανομή εκπομπής στο νερό Γωνιακή κατανομή εκπομπής στον αέρα LED PMT αναφοράς Συχνότητα Εκπομπής Διάρκεια Εκπομπής Ένταση Φωτεινών παλμών Διακομιστής

60 Προσομοίωση του Ανιχνευτή: Παραγωγή ατμοσφαιρικών μιονίων Ζενιθιακή κατανομή (3800 μέτρα) A. Okada, Astroparticle Physics 2, 393 (1994) Ενεργειακή κατανομή (3800 μέτρα)

61 Εκτίμηση της κατανομής ύψους παλμών του ενός φωτοηλεκτρονίου από τα πειραματικά δεδομένα Μικρή μεταβολή της υψηλής τάσης των PMT Αλλαγήτηςκατανομής ύψους παλμών του ενός Ρ.Ε. R(1) Monte Carlo P(V)=δ(V 1 -μ) R(n) Κατανομή ύψους παλμών n P.Es R(2) R(3) R(4) 6-fold P(V;a,M) n P(V) Προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα των παραμέτρων a,m P(V) = n=1 R(n) P (V;a,M) n

62 Μίξη των γεύσεων των νετρίνων ve + Cl Ar+ e 2.56 ± 0.16( stat) ± 0.16( syst) SNU 8.6 ± 1.2 SNU Έλλειμμα Έλλειμμα ατμοσφαιρικών Ηλιακών νετρίνων e + N e+ X Μετρούμενη ροή νετρίνων από τον Ήλιο Αναμενόμενη ροή νετρίνων από τον Ήλιο (HOMESTAKE) (Ηλιακά Μοντέλα) cosθ>0 = 0.46 ± 0.13( stat) ± 0.08( syst) (Kamiokande) cosθ<0 Οι ιδιοκαταστάσεις της γεύσης είναι διαφορετικές από τις ιδιοκαταστάσεις μάζας των νετρίνων Τα νετρίνα δημιουργούνται/αλληλεπι δρούν ως ιδιοκαταστάσεις λεπτονικής γεύσης αλλά διαδίδονταιστονχώροως ιδιοκαταστάσεις μάζας. 1 sin 2 2 (1 cos 2 ) 2 β α P α β ( ν ν ) = L θ π L E L0 = 4π 2 Δm Δ m = m m

63 Επεξεργασία σήματος: Αφαίρεση του ηλεκτρονικού θορύβου Reference clock Shifted electronic noise Reference electronic noise Before subtraction Event clock After subtraction

64 Καταγραφή των αποτελεσμάτων επεξεργασίας των πακέτων δεδομένων σε βάση δεδομένων Περιβαλλοντικές παράμετροι και τάσεις του συστήματος διανομής ισχύος Λειτουργικές παράμετροι του ανιχνευτή: χρονικό παράθυρο σύμπτωσης, η πολλαπλότητα της λογικής του σκανδαλισμού, τα κατώφλια τάσης των φωτοπολλαπλασιαστών Πληροφορία δημιουργίας των Monte Carlo γεγονότων (αν τα πακέτα δεδομένων έχουν δημιουργηθεί από Monte Carlo προσομοίωση του ανιχνευτή) Παράμετροι που περιγράφουν τον τρόπο λειτουργίας του ανιχνευτή κατά την διάρκεια συλλογής των δεδομένων (λειτουργία με ενεργοποίηση του ηλεκτρονικού σκανδαλισμού βαθμονόμησης, λειτουργία με ενεργοποίηση των μονάδων εκπομπής φωτεινών παλμών ή κανονική λειτουργία) Ο χαρακτηριστικός χρόνος (timestamp) του κάθε γεγονότος Ο ηλεκτρονικός μετρητής και ο αύξων αριθμός του κάθε γεγονότος Οι ρυθμοί καταμέτρησης των λυχνιών συναρτήσει του πειραματικού χρόνου Οι περίοδοι δειγματοληψίας για κάθε ATWD Οι χρόνοι άφιξης και τα ύψη όλων των παλμών εντός του ενεργού πειραματικού παράθυρου (εύρους ~465ns) Η αρχή και το τέλος του χρονικού παράθυρου σύμπτωσης μέσα στο ενεργό πειραματικό παράθυρο Ο αύξωναριθμόςτουhit που προκάλεσε τον σκανδαλισμό Οι χρόνοι λογισμικού και ηλεκτρονικού σκανδαλισμού Το επίπεδο σύμπτωσης για το συγκεκριμένο γεγονός, δηλαδή, ο αριθμός των ενεργοποιημένων φωτοπολλαπλασιαστών μέσα στο χρονικό παράθυρο σύμπτωσης Δείκτες που περιγράφουν αν ένα γεγονός είναι αλλοιωμένο, αν έχει περάσει επιτυχώς το στάδιο του σκανδαλισμού, και αν συλλέχθηκε κατά την διάρκεια δράσης βιοφωταύγειας

65 Επιλογήτηςτοποθεσίαςπόντισηςενόςτηλεσκοπίουνετρίνων Μεγάλο μήκος διάδοσης & σκέδασης του φωτός Αυξημένος Ανιχνευτικός Όγκος & ακρίβεια ανακατασκευής τροχιών μιονίων Μεγάλο βάθος Μικρός θόρυβος υποβάθρου από ατμοσφαιρικά μιόνια Μικρά υποθαλάσσια ρεύματα Χαμηλή περιεκτικότητα σε οργανικά και ανόργανα ιζήματα Χαμηλή περιεκτικότητα σε οργανισμούς που εκπέμπουν φως (βιοφωταύγεια) Νότιος Πόλος (IceCube) Μεσόγειος Θάλασσα (KM3Net)

66 Απορρόφηση των νετρίνων από τη Γη L int = 1 ( E ) N σ ν N ν A Ανιχνευτής που κοιτά σε στερεά γωνία ±50 γύρω από το Ναδίρ PE (, θ ) = e L( θ )/ L ( E) int

67 Όροφος τιτανίου

68 Μέτρηση του θαλάσσιου βάθους στο οποίο ποντίστηκε ο πρότυπος ανιχνευτής Ένδειξη πιεσόμετρου (0.5% ακρίβεια) Βάθος σε ισοδύναμα μέτρα νερού D = (3858 ± 0.5%) mwe.. = (3858 ± 20) mwe.. w P h =378.1 bar = x 10 5 N/m 2. Μέση πυκνότητα του θαλασσινού νερού στην τοποθεσία πόντισης (1Atm) (E. G. Anassontzis, The NESTOR site, Proceedings of the 3rd NESTOR International Workshop) Συντελεστής ισόθερμης συμπίεσης τουθαλασσινούνερού k T d 0 = x 10 3 kgr/m 3. 1 V 1 d = = = V P d P bar 5 1 d d (1 ) 0 + Pk h T d = kgr / m 3 3 d m d0 + d = = kgr/ m Βάθος που βρισκόταν το αστέρι D s =(3720±0.5%)m = (3720±20)m. D=(3800±0.5%)m = (3800±20)m.