Diapositiva 1 - XXIV GIORNATE DI STUDIO sui RIVELATORI

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Diapositiva 1 - XXIV GIORNATE DI STUDIO sui RIVELATORI
Un telescopio per la rivelazione dei neutrini di alta energia nel Mar
Mediterraneo
IL PROGETTO KM3NET
Sommario
 Cenni di fisica astro-particellare
 Motivazioni e obiettivi scientifici della neutrino-astronomia
 Principi di rivelazione di neutrini di alta energia
 Situazione internazionale
 NEMO
 Stato di KM3NeT
 Conclusioni e prospettive
GeV g-rays
Visible
CMB
Radio
L’Universo violento
/
/
/
/ TeV sources!
/ cosmic
/
rays
/
/
/
/
/
/
Gamma astronomy
< 100 TeV
Neutrino astronomy
> 10 EeV
Proton astronomy
CENNI DI FISICA
ASTROPARTICELLARE
Scoperta dei raggi cosmici
 Osservato un eccesso di radiazione
rispetto alla radioattività naturale
 Esperimento su pallone Hess 1912
 la radiazione aumenta all’aumentare
dell’altezza in atmosfera
 Nessun effetto giorno notte
 Esperimento di D. Pacini 1909-1911
 la radiazione diminuisce sott’acqua
(mare, lago)
 La radiazione non è di origine
terrestre ne’ solare => nasce la
fisica dei raggi cosmici
 Premio Nobel a Hess nel 1936
Attacco a tridente
HE photons:
copiously produced
 absorbed on dust
and radiation
Cosmic rays:
 copiously produced
 directions scrambled
by magnetic fields
UHECR:
not strongly deflected
 by magnetic field
 limited by GZK cutoff
In alcuni casi (SN, GRB, ..) è prevista anche la
formazione di onde gravitazionali
Neutrinos:
 not affected by magnetic
fields and radiation
 very low sinteraction
Osservare l’Universo
 L’ orizzonte di osservazione dipende dal messaggero e
dalla sua energia
Gamma e protoni interagiscono
con la radiazione di fondo: orizzonte
circa 100 Mpc
 g + gCMB  e+ + e p + gCMB  +  n + +  + + 
Neutrini ≈ 6 Gpc
Il paradigma standard dei RC
Schema BOTTOM-UP => Meccanismo di accelerazione di Fermi => dNp,e/dE  E-2
Particle accelerator
HE g produzione leptonica
radiazione di sincrotrone + IC
e + gSynchrotron  e’ + g’HE
HE  e g produzione adronica
Accelerazione di Fermi
p + p (SNR,X-Ray Binaries) X,
p + g (AGN, GRB, µQSO) N
Decadimento di pioni e muoni
pioni neutri  HE gamma
pioni carichi  HE µ e
Astrophysical jet
Acceleratori di raggi cosmici (?)
Pulsar
SNR
AGN
GRB
Radio Galaxy Lobe
Emax  shock Z  B[G]  R[kpc]  1018 eV
Rivelazione di raggi cosmici
Tecniche di rivelazione
Raggi cosmici a 100 anni
dalla scoperta
o Lo spettro segue una legge di potenza con alcuni cambi di pendenza (knee,
ankle, …). La composizione è 87% p,
o L’ effetto GZK porrebbe un limite alle energie osservabili e implicherebbe
l’esistenza di un flusso garantito di neutrini
Rate @ E
E > 1019
1 part./cent. km2
Il paradigma standard
L’osservatorio Pierre Auger
Detection of UHECR (E > 1019.5) 3000 km2
 Malargüe - Argentina 350 S ≈ 1400 m
≈ 875 g/cm2
Surface Detector (SD)
1660 “water tanks” 1500 m spacing + Infill (30 km2,
750 m spacing)
• Shower profile on ground
• Shower direction
• Energy measurement
Fluorescence Telescope (FT)
24 FT (6/site) + 3 higher elevation HEAT
• Longitudinal development of the shower
• Energy measurement (calorimetric)
• Energy measurement and calibration
• Shower direction
• 12% duty cycle
50 km
AUGER – Alcuni risultati
Soppressione dello spettro a
E>1019.5 eV confermata =>
compatibile con GZK
Anisotropia
- 13 eventi entro 18° Cen A
-multipletti osservati con
bassa significatività statistica
Misure recenti - sprotone-aria
E 1-3 x 1018 eV => primari essenzialmente protoni (Auger e
HiRes/TA)
Distribuzione di Xmax => lunghezza interazione primario
=> Λ  σ (p-aria)
FIT
AUGER sp-p – Confronto LHC
 σinel (p-p) si ricava con la teoria di Glauber da σ(p-aria)
 Energia nel centro di massa per collisioni p-p : 57 TeV
σinel è meno model
dependent di σtot
Produzione di g e  di alta
energia(> TeV)
 I protoni accelerati interagiscono con radiazione e
materia in prossimità della sorgente…
... e i pioni decadono
E = 5% Ep
Oscillazioni

:e:t = 1
Astronomia Gamma
 Astronomia gamma al TeV consolidata sia con i rivelatori
IACT (Hess, Magic, Veritas) che con i full coverage (Argo,
Milagro) => esperimenti di seconda generazione CTA,
HAWC, …
Astronomia g TeV
 Due tipi di strumenti per la rivelazione di
gamma al TeV
 IACT (Hess, Magic, Veritas,…=> CTA )
 Wilde field (Argo, Milagro, … => HAWC, L)
 Osservate moltissime sorgenti galattiche ed
extragalattiche, alcune senza controparte in
altre lunghezze d’onda
Hess – Sorgenti g TeV
 Malgrado gli eccezionali progressi della g
astronomia, non sono state individuate
inequivocabilmente sorgenti di raggi cosmici
galattici, ne’ extra-galattici
 La rivelazione di neutrini da una sorgente
costituirebbe uno smoking gun per il
meccanismo di produzione dei raggi cosmici
Sorgenti e flussi di neutrini
 E i rivelatori? … dalle centinaia di ton ai Gton
e oltre!
Neutrini dal cosmo
E [eV]
N. B. Recentemente si è riacceso l’interesse per
le oscillazioni di neutrini atmosferici (E GeV)
Principali obiettivi della
neutrino-astronomia
- Discriminare tra emissione adronica e
leptonica
- Individuare le sorgenti dei raggi cosmici
- Sondare l’ Universo distante alle alte
energie
TECNICHE PER RIVELAZIONE,
RICOSTRUZIONE E ANALISI
DI NEUTRINI DI ALTA
ENERGIA
Neutrino astronomia (E>TeV)
 I flussi attesi e la piccolissima probabilità di
interazione del neutrino richiedono volumi di
rivelazione > km3
=> Profondità marine o ghiacci polari 2500-3500 m
 L’acqua/ghiaccio ha una triplice funzione:
 Targhetta per l’interazione di neutrino
 Radiatore
 Schermo per i muoni atmosferici
Neutrino astronomia (soglie?)
- Principi di rivelazione -
1 TeV
Optical Detection
100 PeV
Radio Detection
em cascade
1000 ZeV
Acoustic Detection



Medium: Seawater, Polar Ice
e
Medium: Salt domes, Polar
Ice
 (throughgoing and contained)
e,t (contained cascades)
 (cascades)
Cherenkov Light (UV-visible)
Cherenkov Radio
Attenuation length: 100 m
Attenuation length: 1 km
Sensor: PMTs
Sensors: Antennas
Instr.Vol. : several km3
Instr. Vol. : >10 km3
hadron
cascade
em cascade
Medium: Seawater, Polar
Ice, Salt Domes
 (cascades)
Sound waves (tens kHz)
Attenuation length:  10 km
Hydro(glacio)-phones
Instr. Vol. : >100 km3
Icecube- Topologia eventi
Adapted from A.Karle, 2009
Nhit => E
Il muone è il golden channel per la neutrino-astronomia.
Segnali e fondi
 Rivelazione di neutrini up-going
 Neutrini cosmici indistinguibili dai neutrini atmosferici
evento per evento
Telescopi Cherenkov – TeV-PeV
Muone
atmosferico
~DU con PMT
luce
Cherenkov
neutrino
muone
Cavo elettro-ottico
neutrino
Profondità
2500-3500m
Luce Cherenkov
 Numero N di fotoni emesso in un intervallo di lunghezza d’onda dl e per intervallo di
distanza dx
Il numero di fotoni credsce al
diminuire della lunghezze d’onda
Se
 Emissione di fotoni direzionale rispetto alla traccia della particella
n indice di rifrazione dell’acqua/ghiaccio
Ricostruzione delle tracce
Cherenkov photons emitted by the
muon track are correlated by the
causality relation:
c(t j - t0 ) = lj + dj tg(c )
Track reconstructed goffline analysis of
space-time correlated PMT signals (hits).
Main indetermination is the size of PMT
( 20 cm   1 ns)
Specification:
 1 ns PMT TTS
 10 cm in position of the PMT
Indeterminazione temporale
 Accuratezza sulla posizione circa 10 cm
 TTS circa 1 nsec
Proprietà del mezzo:
il mare è il nostro rivelatore
35
 Per misurare la “trasparenza” dell’acqua (ghiaccio) bisogna misurare la
lunghezza di assorbimento Labs e la lunghezza di scattering Lsca
La lunghezza di attenuazione è data da:
Coefficiente
di scattering
Coefficiente di
attenuazione
Coefficiente di
assorbimento
Lo scattering può aversi o su molecole (Rayleigh
scattering) o su particolato (Mie scattering)
Si usa pure la lunghezza di scattering efficace
dove è definito un angolo medio di scattering
Lunghezza di assorbimento in acqua
 La lunghezza di assorbimento governa la
distanza tra i sensori
I  I0e

a l 
D
1
La  l  
al
La  blue   70m
Potassium 40 decay
40
40
Rumore
ottico
in mare
Ca + e + 
(B.R. = 89.28%) Induces a Constant rate 30 kHz
K 
40
K  e- 
-
e
40
Ar +  e + g (B.R. =10.72%)
Bioluminescence
Increases average rate
and produces bursts...
(10’’ PMT @ 0.5 spe)
ANTARE
Capo Passero S
Both sources are not present in
polar ice
I sensori per la rivelazione
della luce Cherenkov
 PMT con grande area di fotocatodo alloggiati
all’interno di una benthosfera
 10” in Antares, IceCube Nemo
 efficienza quantica vs l :
=> buon matching con labs
 Efficienza 22-23%
 Timing TTS ns
 Affidabilità buona
 Costi contenuti
Numero di muoni rivelati e
aree efficaci di neutrini
 Il flusso di neutrini emesso dalla sorgente e il numero di eventi attesi al
rivelatore sono legati dalla relazione:
Numero di muoni
attesi al rivelatore
Spettro neutrini
emesso dalla
sorgente in unità
di tempo
Tempo di
osservazione
Area efficace di neutrini
Volume efficace
Numero di nucleoni
bersaglio per unità
di volume
Sezione
d’urto dei
neutrini
Probabilità di
trasmissione
nella terra
Sezione d’urto dei neutrini
I neutrini interagiscono
principalmente per reazioni di
Deep Inelastic Scattering su un
nucleone N
10-33 cm2
10-35cm2
 E
E  5TeV
1 TeV
1 PeV
s N
 E0.4
E  5TeV

A energie >TeV il muone ed il neutrino sono collineari

N


X
 
1.5
E  TeV 
Probabilità di trasmissione
della terra vs cos
La terra è opaca a
neutrini di energia di
alta energia . Ad alta
eneria
si
deve
guardare intorno e
sopra l’ orizzonte
Dal neutrino al muone

min
P   E , E


ds
E , E  Reff E , Emin
 N A  dE
dE
o
E
Reff   dX  Psurv (E ,E,min, X)
0


Volumi efficaci
N sel E 

Veff  , E  
Vgen
N gen E 
Volume di
generazione
Numero di eventi
selezionati
Efficienza del rivelatore ai neutrini
Numero di eventi
generati
WARNING: Aree efficaci e volumi efficaci dipendono dalla selezione degli
eventi:
Es. Tutti gli eventi triggerati, ricostruiti, ricostruti con condizioni in angolo,
che hanno superato i tagli necessari per una certa analisi…..
Difficile il confronto delle prestazioni di diversi esperimenti basandosi sul
confronto di aree efficaci
Sensibilità e potenziali di
scoperta
 Sensibilità: flusso limite quqndo nessun evento è stato
osservato al di sopra un certo valore di fondo
 Potenziale di scoperta: flusso di sorgente richiesto per
osservare, con una certa probabilità, un eccesso rispetto al
fondo. Si ha scoperta (evidenza) quando si misura un eccesso
di eventi di 5s (3s rispetto al fondo.
Calcolo della sensibilità - MRF
Se il numero di eventi osservati è compatibile con il background (nessun eccesso
osservato) si può calcolare l’average upper limits di un flusso al 90% di confidence level
minimizzando il Model Rejection Factor
nb numero di eventi background
ns numero di eventi da sorgente con flusso Ftest
Flusso della
sorgente di test
MRF
Average upper limit (Feldman and Cousins)
Upper limit di un esperimento in cui sono
attesi nb segnali di fondo ed ne sono
osservati nobs
Calcolo del discovery potential - MDP
Se può calcolare il flusso che una sorgente deve avere per dichiarare la scoperta
entro un livello di confidenza minimizzando il Model Discovery Potential
nb numero di eventi di fondo
ns numero di eventi atteso da una
sorgente con flusso Ftest
Flusso della
sorgente di test
MDP
Probabilità poissoniana
no numero di eventi osservati con
significatività di 5s
SITUAZIONE
INTERNAZIONALE ED
ESPERIMENTI IN RUN
Situazione internazionale
Visibilità per neutrini up-going in
coordinate galattiche
ANTARES e KM3NeT
IceCube
>25%
>25%
>75%
>75%
Mediterraneo visibiltà 87%
o Focus su piano galattico e sorgenti galattiche
o Sovrapposizione con parte del cielo visto da IceCube
Il rivelatore km3 nel Mediterraneo
Tre collaborazioni operano nel Meiterraneo:
ANTARES, NEMO and NESTOR – interesse di EMSO sui tre siti
Toulon 2400 m
ANTARES
NEMO
Capo Passero 3500 m
NESTOR
Pylos 3800:4000 m
Sfide tecnologiche per installare e operare un telescopio tra 2000 e 3500m di
profondità (pressione, corrosione dell’acqua, …)
ANTARES
Dimostratore per la rivelazione di
neutrini di alta energia @ 2500
m off-shore Tolone
Dal 2008 in presa dati in
configurazione completa
=> È POSSIBILE COSTRUIRE E
OPERARE UN TELESCOPIO PER
NEUTRINI DI ALTA ENERGIA
NEL MAR MEDITERRANEO
ANTARES
ANTARES • 12 lines of 75 PMTs
• 25 storeys / line
• 3 PMTs / storey
• 900 PMTs
14 m
350 m
40 km to
shore
100 m
Junction
Box
60 m
Anchor/line socket
Submarine links
Antares: posa delle linee
Line 1 deployment:
February 2006
Time consuming and risky sea operation:
“Open” structure deployed from surface
Presa dati 2009-2011
 Circa 6 neutrini/day ricostruiti
 Episodi di alta bioluminescenza (soprattutto nella
stagione primaverile) riducono l’ efficienza di rivelazione
ANTARES
• 2190 neutrini selezionati (813 gg)
• il cluster più significativo 2.2 sigma
• ‘candidate list’ sources in rosso
IceCube: il primo km3
Proprietà ottiche del ghiaccio
Coefficiente di assorbimento varia di un fattore 3
Coefficiente di scattering varia di un fattore 7 <Lscatt> ≈ 30 m
Icecube and IceTop
• 180 Cherenkov tanks containing 2 large
area OMs in transparent ice
Adapted from F.Halzen, 2009
Posa e rate
Drilling and deployment
- 2 days/hole 3.5 cm/sec
Low noise rates:
280Hz dominated by glass housing and PMT
• High duty cycle: >90%
The DOM (Digital Optical Module)
IceCube - Costruzione
Gamma Ray Burst
IceCube- Limiti su GRB
ICECUBE – da Neutrino 2012
IceCube – GZK i
garantiti
CAVEAT => Flussi previsti nell’ ipotesi di protoni, composizioni
pesanti danno limiti più bassi di 1-2 ordini di grandezza
NEMO
NEMO
 Caratterizzazione del sito Capo Passero candidato per
installazione di KM3NeT
 Realizzazione di due infrastrutture
 LNS 2000 m
 Capo Passero 3500, sito candidato per il km3
 Sviluppo e validazione di tecnologie per la costruzione di
un telescopio di scala km3 ad alta profondità




OnDE
Junction box
mini-torre
Torre meccanica e torre strumentata
 Attività KM3NeT
Test Site LNS
Installations at 2100 m depth
LNS-INFN Catania
Test Site North SN-1
INGV
Internet Radio
Link
20 km
Test Site South NEMO prototype tests
LNS Test Site Laboratory
at the port of Catania
• TS North host SN-1, LIDO -> INFN-INGV agreement
• SN-1first operating ESONET node providing real time data
East-Sicily: Catania TS cable and terminations
ODE:Ocean Noise Detection Experiment
GOAL => R&D on acoustic nu detection
4 hydrophones (10 Hz-40 kHz bandwidth) synchronized.
Acoustic signal digitization ([email protected] kHz) at 2000m depth.
Data transmission on optical fibers over 28 km.
On-line monitoring and data recording on shore. Recording 5’ every hour.
Data taking from Jan. 2005 to Nov. 2006 (NEMO Phase 1 deployed).
electronics
housing
Cable from shore
H2
H1
North
110°
H3
Housing
H4
connectors
Height from seabed :
H1, H2, H4: ~ 2.6 m
H3: ~ 3.2 m
Posa di ODE
ROV
Cable Layer Vessel Pertinacia
ODE connection
Final Note
Dolphins use sound !
They’re the second most evoluted species on Planet Earth
… Mankind is only the third one !
SN1: geofisica e
oceanografia
 2005 - 2008
 primo osservatorio geofisico cablato ad alta
profondità
 Connessione con la protezione civile in real-
time
 Stazione ricondizionata e posata
nuovamente la scorsa settimana
NEMO Phase-1
Phase 1 is a fully equipped deep-sea facility to test prototypes and
develop new technologies for a neutrino detector whose final scale
will be 1 km3
300 m
e.o cable
NEMO mini-tower
(4 floors)
TSS Frame and ODE
Junction Box
The Junction Box
The JB is a fiberglass container (1 m3) filled with silicone oil,
equipped with a pressure compensator (100 litres).
The JB contains four cylindrical steel vessels hosting:
• the optical multiplexing and data transmission control system
• the underwater power control and distribution system
• 5 electro-optical ROV mateable connectors (2 in NEMO Phase 1)
Mini-torre NEMO
 Posa bottom-up
 La torre è posata sul fondo in configurazione
compatta, successivamente viene aperta, si svolge
e assume la caratteristica struttura
tridimensionale
 La struttura 3D presenta vantaggi in termini di
possibilità di posizionamento dei moduli ottici e
accuratezza di ricostruzione
1 Installation was carried out on December
NEMO PhasePhase
1
Installation
2006 using the Elettra Tlc- Teliri C/L. Starting from the
port of Catania (logistic base of the Elettra Tlc.)
Accident: the JB fell on the ship deck due to a ship winch failure
the secondary power system was broken but the primary was ok  JB deployed
NEMO Phase 1 Installation
JB deployment
Mini-tower deployment
Mini-tower on the seabed
JB connection to the tower
Mini-tower buoy release
Mini-tower unfoding
Optical Module (OM)
Samples and transmits signal
waveform
@200 Msample/s
Optical Modules DAQ chain:
(almost) all data to shore
Hamamatsu 10" R7081 SEL
PMT tube + ISEG base
Floor Control
Module Board (FCMB)
Floor Control Module Board:
Transmits OM and Slow Control data
(water parametres, OM position,
internal sensors) to shore through
Optical Fibre (DWDM technology)
e.o. Transceiver
Colored laser (DWDM)
FEM board
underwater
electrical vable
Based on DWDM e/o transceiver: low power and small dimensions
Ser-Des implemented using GLink chipset: fixed latency and synchronous protocol
Floor Control Module Board
(implemented version)
Electro-Optical Interface:
• Ser-Des (up to 1.4 Gbps)
• DWDM compliant Transceiver
GPS data receiver
(on shore functionality)
Optical module data
Acoustic data interface
interface
Spartan-3 FPGA
bridges optics and underwater instruments
This makes the whole detector synchronous and phased…
With GPS time distributed from shore
The FCM distributes the clock embedded into the stream transmitted to off-shore)
Time Calibration Board
NEMO Phase 1 Data
Optical modules
Transmission Chain:
Point
to
Floor Control Module BoardOptical Fiber +
DWDM multiplexing
Point
DWDM demultiplexing
The whole detector is phased
and synchronizes
(about 1 nsec)
Data
Hydrophones
Time + controls
Floor Control Module
Slow Control Interface
Interface
GPS reference
•
•
Acoustic positioning
system board
The FCM collects floor data and transmit them to on-shore with a DWDM optical link.
Comupting
Data are received on-shore and distributed via Ethernet
Shore
Oceanographi
Interernet
– Data manager:
slow control Internal
c Instrument
– Master CPU:
trigger
Sensors
Lab
NEMO: Misura flusso atm in
funzione della profondità
Posa torre meccanica (12 piani)
A packed flexible tower
Successful deployment test in
February 2010
East-Sicily: Capo Passero infrastructure
Shore Laboratory in Capo Passero Harbour
Capo Passero Site
The italian candidate site for
KM3NeT installation is 80 km offshore on a flat and wide plateau at
3500 m depth
Capo Passero is an infrastructure
suitable for km3-scale neutrino
telescope installation (KM3NeT)
Shore laboratory
Power supplier 10 kV - 50 kW
Construction Hall
Data Acquisition Room
Guest house
Optical fiber to LNS (1Gbps
2011)
Submarine cable
100 km - 20 fibres, DC-sea return
Present submarine Infrastrcture
- DC/DC Converter 10 kV-375 V
10 kW, Neptune’s-like design
- 3 ROV e.o. output connectors
NEMO CP: lunghezza di assorbimento
Lo strumento (AC9) con un fascio di luce collimato misura i coefficienti di
assorbimento (1/Labs) e attenuazione (1/Latt).
Il coeficiente di scatteringdalle misure di assorbimento e attenuazione
Labs in funzione della lunghezza d’onda
Labs in funzione della profondità
NEMO CP– bioluminescenza
 La bioluminescienza è trascurabile alle
profondità di installazione del rivelatore
Capo Passero
NEMO Phase 2 Cable Installation
The cable was deployed on July 2007
Using the Elettra Tlc – Certamen C/L.
Capo Passero village
Cable route
Capo Passero Site
The cable fibres were continuoisly
monitored from shore (using OTDR)
during the installation. Monitoring
continues.
The cable is suitable for the km3
INFN has also applied to get an
optical fibre connection (land) from
the Capo Passero shore lab to LNS.
=> Fast internet connection for data
transmission from the shore station
and remote control.
East-Sicily: the Capo Passero Junction Box
Deployment: November 2009
Alcatel shore power supply
(50 kW, 10 kVDC max)
and line power converter
installed in the Capo Passero
shore Lab
100 km
cable
Fully functional
The Alcatel 10 kW MVC
10 kVDC to 375VDC
ODI
Rolling Seal
hybrid
3 ROV mateable e.o. outputs
NRH Series
6 ways
4 optical
2 electircal
PEGASO INFN-INGV Infrastructure
PEGASO: ROV and DeepSea Shuttle for deployment,
connection and maintenance
 A INFN-INGV infrastructure co-funded by “Regione Sicilia”
 Cougar Seaeye ROV upgraded to 4000 m
 The DSS holds ROV garage or heavy structures
 The ROV moves horizontally (300 m theter cable)
4000 m
30 Ton
300 m
Cougar ROV (PEGASO)
NEMO Fase 2
It consists of new infrastructure at the deep-sea site
of Capo Passero, Sicily, at 3500 m depth :
- 100 km cable, linking the site to the shore
- a shore station, inside the harbor of Portopalo of
Capo Passero
- the underwater infrastructures need to connection
- the prototype of the detector :
- 8 storeys tower
- 2 Optical Modules (OMs) at each end
( Vertical, Horizontal)
- 4 OMs per storey
FIRB-SMO
Idrofoni per posizionamento acustico e
bioacustica
Optical Module in NEMO Phase-2
• A glass sphere 13” (Vitrovex):
TIM-CAL
ISEG
• Single large area photomultiplier :
Hamamatsu 10” PMT R7081
FEM
• Optical gel : Waker SilGel 612
• μ-metal wire cage
• PMT base circuit : ISEG PHQ7081-i-2m
modified
• FEM (Front End Module) electronic
board
• System for timing calibration (TIMCAL)
13” OM sketch: lateral view
Large area photomultiplier
R7081 Hamamatsu:
• 10 inch. photocathode
• Standard bialkali photocathode (QE ≈ 25% @ 400nm)
• 10 stages
A batch of 72 PMTs was bought and characterized
Dimensions of the R7081
(Courtesy of Hamamatsu)
Sketch of test apparatus
Picture of a test box
OM assembly procedure: cleaning
•
•
•
cleaning of each element: optical paper and methyl alcohol
- inner surface of the hemi-spheres
- mu-metal cage
mu-metal cage positioned into the glass
hemisphere
1 cycle of outgassing :
- vacuum @ 250mbar (15 mim)
- air reentry
OM assembly procedure: optical gel mixturing
•
mixture gel preparation 1.5 litre x OM:
1 lltre A + 0,5 litre B at 120 giri/min.
• pouring the gel into the glass hemisphere
• 3 cycles of outgassing
- vacuum @ 250mbar (3 mim)
- air reentry
Picture of outgassing of the gel into the sphere
3 cycles of outgassing remove the air-bubble inside the gel .
The 13” OM assembled with the 10” R7081 PMT
Picture of the OM with FEM and TIM-CAL
Picture of the optical fibre for calibration
OM assembly procedure: PMT positioning
•
•
•
•
PMT mounted on the centering cross by means of a properly support
positioning into the sphere by means of the centering cross
3 cycles of outgassing
Polimerization of the gel @ atmosferic pressure and room temperature (12 h)
Mechanical support for PMT base and
centering cross
PMT positioned in the glass sphere
PMT mounted on the centering cross
Closure of the OM
Sealing of the OM :
• hemisperes were aligned and joined
• closed under-pressure at 250 mbar
• external adhesive (Terostat) and tape
Test in Hyperbaric Chamber
The watertight and mechanical resistance of the OM assembled was tested in the hyperbaric
chamber of NEMO test site (Catania harbour) up to 350 atm
Test pressure profile
400
350
Pressure [Bar]
300
250
200
150
100
50
0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
Time [ hours ]
container with weights to keep OM in the
bottom of the chamber
Results:
No lack of vacuum inside OM
No water inside OM
No detachment of the gel
[email protected]
Erlangen 12-14 October 2011
102
Nemo Phase 2
La struttura meccanica integrata ai LNS
Deployment estate 2012
o Validazione tecnologie
o Monitoraggio del sito
Elettronica “offshore” e “on-shore” integrata e testata ai Laboratori del porto di Catania
KM3NeT
 Focus sulla fisica e principali
obiettivi
 Il progetto KM3NeT
 Simulazioni e prestazioni del telescopio

KM3NeT consortium consists of 40 European institutes, including those
in Antares, Nemo and Nestor, from 10 countries (Cyprus, France,
Germany, Greece, Ireland, Italy, The Netherlands, Rumania, Spain, U.K)
 KM3NeT is included in the ESFRI and ASPERA roadmaps
 KM3NeT Design Study (2006-2009) defined telescope design and
outlined main technological options
 Approved and funded under the 6° EU Frame Program
 Conceptual Design Report published in 2008
http://www.km3net.org/public.php
 Technical Design Report (TDR) completed => outline technology
options for the construction, deployment and maintenance of a deep
sea neutrino telescope http://www.km3net.org/KM3NeT-TDR.pdf
 KM3NeT Preparatory Phase (2008-2012) defines final design, production
planes for the detector elements and infrastructure features. Prototype
validation is underway. Legal, governance and funding aspects are also
understudy.
 Approved and funded by EU under the 7° EU Frame Program
105
Motivazioni scientifiche
 Obiettivo principale: rivelazione di sorgenti
galattiche
 Atteso cut-off in energia al PeV (protoni)
=> ottimizzazione del rivelatore
Artistic view
 310 torri
 20 piani/torre
 2DOM/piano
 circa 5 km3

Technical Challenges and Telescope
Technical
Designdesign
Objective: Build, deploy and operate a km3-scale 3D-array of
photosensors connected to shore (power, slow control, data)
@ 2500 – 5200 m depth undersea






Optical modules (OM)
Mechanical structures (DU)
Data transmission, information technology and electronics
Design rationale:
Deep-sea infrastructure
Cost-effective
Deployment
Reliable
Calibration
Builds on the experience
Producible
gained with ANTARES, NEMO
Easy to deploy
and NESTOR
108
Il modulo ottico
• Multi-PMT DOM
• 31 PMTs (3” diameter)
• Almost uniform
•
•
•
•
coverage
Photon counting
All electronics inside
Concentrator ring
All identical units
DOM: PMT
 75 mm PMT
 4 manufacturers




ETEL ( 25 delivered )
Hamamatsu ( 10 delivered )
MELZ ( first prototype expected )
Zhan Chuang Photonics
 High QE
(>32%@380nm;>22%@470nm)
 Extension to ~90 mm diameter
with concentrator ring
ETEL
DOM: PMT placement
• New design HV with <35
•
•
•
•
•
mW power consumption
12 PMTs in top
19 PMTs in bottom
Front matched to sphere
Supported by foam cores
via concentrator ring
Optically coupled with
optical gel
DOM: Construction
DOM: read-out electronics
 Local time-stamping
 FPGA based
 Slow Control
incorporated, I2C/SPI
 TDC
 1 Gb/s Ethernet to
shore
All-data-to-shore
DWDM Fibre-Optic Connection
Reflective
Modulator
Vertical Structure
• 6 m bar length
• DOM on either end
• Consecutive storeys
•
•
•
•
perpendicular
Two vertical electro-optical
cables
40 m inter-storey distance
320 towers
Compact deployment
Hydro-dynamic behaviour
• When unfurled – 900 m high
• Sea currents up to 30 cm/s
(rare – survival intact)
• Deviation at top of tower –
~150 m
• Can be made smaller with
bigger buoy and larger
anchor
• Acoustic positioning
deviation at 30
cm/s
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
100
200
Sea-floor power network
•
•
•
•
•
DC 10 kV Shore to primary
junction box
Limit power losses
10 kV to 400 V DC/DC 10 kW
converter á la Neptune
Distribution via secondary JBs to
320 towers
Complications
–
–
–
–
–
•
Need access
Deployment during data taking
Risk of single cable/JB
Distances → Power loss
Wet mateable connections
Easier if Detector built from
smaller blocks with each primary
This is only half a detector
Sorgenti di neutrini cosmici
• Galactic sources
–
–
–
–
–
SuperNova Remnants
Pulsar Wind Nebulae
Micro Quasars
Galactic Plane
…
• Extra Galactic Sources
–
–
–
–
Active Galactic Nuclei
Gamma Ray Bursts
Starburst Galaxies
…
• Cosmogenic (GZK) neutrinos
• Dark Matter annihillation
Layout for physics
TDR
 TDR 180 m distances
 Regular patern
 Average 180 m distances
2400m
180 m
 Irregular pattern
 Average 130 m distances
IceCube
1750m
130 m
 Irregular pattern
 Energy threshold lower
 More optimised for
Galactic sources
KM3NeT
 Caratteristiche e prestazioni del telescopio
 Area efficace
 Risoluzione angolare
 Potenziale di scoperta e sensibilità per sorgenti di
neutrini di alta energia
 Una infrastruttura multi-disciplinare
 Biologia
 Oceanografia
 Geofisica
Effective area 130m 180m L>5
Risoluzione angolare
 A bassa energia domina la cinematica, ad alta energia la
risoluzione del rivelatore
 In KM3NeT il 70% degli eventi è ricostruito entro 0.2°
dalla direzione del neutrino incidente(spettro E-2 )
Sensitivity and 5s discovery vs
Energy Cut-off (E-2 spectrum)
365 days
Confronto KM3NeT-IceCube
 KM3NeT ha una migliore risoluzione angolare grazie alle
proprietà dell’acqua (elevata lunghezza di scattering) e
alla direzionalità del rivelatore (torri +multi-PMT)
KM3NeT - Potenziale di scoperta
Spettro E-2
Dipendenza dalla distanza tra
le torri
 Le sorgenti galattiche hanno un cut-off ad
alta energia => diversa ottimizzazione
La miglior candidata: SNR RXJ1713
dN / dE  1.68 10 11 ( E[TeV]) 1.72 e 
E [ TeV ] / 2.1
[cm 2s 1TeV 1 ]
Radius=0.6
E-2
Assumed
neutrino
spectrum
Le SuperNovaRemnants e
l’origine dei raggi cosmici
In realtà situazione complessa. Recenti dati di Fermi, ruolo
delle MC, indeterminazione sui parametri
Solo la misura di neutrini potrà dare una risposta
definitiva sul meccanismo (adronica o leptonico)
Galactic Candidate  Sources
Origin of Cosmic Rays => SNR paradigm, hints
from VHE g but no conclusive evidence about
CR acceleration RXJ1713-39.43 and Vela JR
best candidates
Hess RXJ1713-39.43
RXJ1713-39.43
IF hadronic mechanisms
=> spectrum can be
calculated from VHE g
spectrum ( solid red line
Vissani)
Potenziale di scoperta RXJ1713
significatività distanza
DU [m]
FoM
[anni]
segnale
fondo
3s
100
2.4
8.4
5.3
3s
130
2.5
7.9
4.8
5s
100
6.4
24.1
16.5
5s
130
7.6
25.7
19.0
Acceptance toward lower energy increases
Use of energy estimator and directionality of DOM
gives 20-30% improvement (verified for 180m
distance).
The source morphology will allow a smaller
number of years
Reanalysis with unbinned method will also
improve results
Around 5.0 years for 5s is achievable. Sensitive to tracking,
trigger and cuts => Can be further improved
Esempi di altre sorgenti
Quite a number within factor of 2
But with factor 2 smaller spread
→Same 5s time
Quite a few within factor 5 and small
→3s in about the same time
Fermi Bubbles
What are they?
Models:
• Electronic
• Hadronic
• If hadronic then: from gamma ray flux
E-2 F(TeV) ~ 1÷2 10-7 [GeV cm-1 s-1 ]
KM3NeT: Where are we and where do we go
P.Kooijman
14/10/2011
133
Stato finanziamenti – KM3NeT
 Budget stimato ( full detector) circa 220 M€
 Progetto PON KM3NeT approvato con ottimo
punteggio, ma approvato per solo 20.9 M€ (circa
la metà del finanziamento richiesto)
 Olanda circa 8 M€ finanziati (+ 7 M€ ulteriori
richiesti)
 Francia 8 M€ (Infrastruttura + alcune DUs)
 Grecia
 => fase costruzione inizia in Italia e Francia
KM3NeT-Italia
KM3NeT-Italia
Finanziamenti per la realizzazione e posa di 25-30 torri
Sensibilità stimate– PRELIMINARE -
KM3NeT-Italia
 Progetto in fase di finalizzazione => disegno
esecutivo, gare, realizzazione, ….
 Vincoli temporali molto stringenti dati dal
PON => rendicontazione entro inizio 2015
 Da studiare la possibilità di rivelazione alle
basse energie (E < 100 GeV)
 Oscillazioni
 Centro Galattico
Conclusioni e prospettive
 KM3NeT osserverà il cielo di neutrini con sensibilità elevata
=> nel campo di vista diverse sorgenti galattiche candidate
per emissioni di neutrino
 KM3NeT-Preparatory Phase concluso a Febbraio 2012
 Forte impatto su scienze marine ad alta profondità
 Technological solutions developed by KM3NeT provide a unique
opportunity for deep-sea sciences allowing long-term, real time data
taking. => Strong synergies with the EMSO project
 Collaboration with INGV, IFREMER and HCMR already active at the
Catania, Toulon and Pylos sites respectively
 Inizio a breve della costruzione in Italia e Francia (circa 40 DU
in totale)
138
THE END

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