Acoustic detection of ultra-high energy cascades in ice [Elektronische Ressource] / von Sebastian Böser

Böser Sebastian

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: English
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Extrait

Acoustic detection of ultra-high energy cascades in ice
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herrn Dipl.-Phys. Sebastian Böser
geboren am 08.12.1977 in Starnberg
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Christian Limberg
Gutachter:
1. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
2. Prof. Dr. Allan Hallgren
3. Prof. Dr. David Z. Besson
eingereicht am: 13. Oktober 2006
Tag der mündlichen Prüfung: 8. Dezember 2006Abstract
Current underwater optical neutrino telescopes are designed to detect neutrinos from as-
trophysical sources with energies in the TeV range. Due to the low fluxes and small cross
sections, no high energy neutrinos of extraterrestrial origin have been observed so far. Only
3the Cherenkov neutrino detectors on the km scale that are currently under construction
will have the necessary volume to observe these rare interactions. For the guaranteed source
of neutrinos from interactions of the ultra-high energy cosmic at EeV energies rays with
the ambient cosmic microwave background, event rates of only one per year are expected in
these experiments.
To measure the flux and verify the predicted cross sections of these cosmogenic neutrinos,
3an observed volume of the order of 100 km will be necessary, that will not be feasible with
existing detection techniques. Alternative methods are required to build a detector on these
scales.
One promising idea is to record the acoustic waves generated in hadronic or electromag-
netic cascades following the neutrino interaction. The higher amplitudes of the sonic signal
and the large expected absorption length of sound favour South Polar ice instead of sea water
as a medium. The prerequisites for an estimate of the potential of such a detector are suit-
able acoustic sensors, a verification of the model of thermo-acoustic sound generation and a
determination of the acoustic properties of the ice. In a theoretical derivation the mechanism
of thermo-elastic excitation of acoustic waves was shown to be equivalent for isotropic solids
and liquids. Following a detailed analysis of the existing knowledge a simulation study of a
hybrid optical-radio-acoustic detector has been performed. Ultrasonic sensors dedicated to
in-ice application were developed and have been used to record acoustic signals from intense
proton and laser beams in water and ice. With the obtained experience, the hitherto largest
array of acoustic sensors and transmitters was devised and implemented, with the aim to
study the ultrasonic properties of the South Polar ice in-situ. Results from all of these first
efforts will be presented in this work.
Keywords:
neutrino, acoustic, cascade, South PoleZusammenfassung
Existierende optische Unterwasser-Neutrinoteleskope sind für den Nachweis von Neutrinos
aus astrophysikalischen Quellen mit Energien im TeV Bereich optimiert. Aufgrund der ge-
ringen Flüsse und Wirkungsquerschnitte wurden jedoch bislang keine hochenergetischen
Neutrinos extraterrestrischen Ursprungs beobachtet. Erst die derzeitlich im Bau befindli-
chen kubikkilometer-großen Cherenkov-Neutrinodetektoren werden das notwendige Volumen
haben, um diese seltenen Wechselwirkungen nachzuweisen. Für die garantierte Quelle von
Neutrinos aus Wechselwirkungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung im EeV-
Bereich mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wird dennoch nicht mehr als ein Er-
eignis im Jahr in diesen Experimenten erwartet.
3Nachweisvolumen in der Größenordnung von 100 km werden notwendig sein, um den
Fluß dieser Neutrinos zu bestimmen und die vorhergesagten Wirkungsquerschnitte zu über-
prüfen. Existierende Detektionsmethoden sind dafür nicht geeignet, so daß alternative Meß-
techniken erforderlich sind, um einen Detektor dieses Ausmaßes zu realisieren.
Eine vielversprechende Idee ist die Erfassung akustischer Wellen aus den in der Neutrino-
wechselwirkung erzeugten hadronischen und elektromagnetischen Kaskaden. Aufgrund der
höheren Signalstärke und der erwarteten großen Schalldämpfungslängen ist dafür die Eis-
decke des Südpols dem Wasser der Ozeane als Medium vorzuziehen. Als Voraussetzungen zur
Abschätzung des Potentials eines solchen Detektors sind jedoch zunächst geeignete Sensoren,
eine Überprüfung des Modells der thermo-akustischen Schallerzeugung und genaue Kennt-
nisse der akustischen Eigenschaften des Eises von Nöten. In einer theoretischen Ableitung
konnte die Äquivalenz der Mechanismen der Erzeugung akustischer Wellen durch thermo-
elastische Anregung in Flüßigkeiten und isotropen Festkörpern gezeigt werden. Einer detai-
lierten Analyse des existierenden Wissensstandes folgte die Simulation eines kombinierten
Cherenkov-Radiowellen-Ultraschall-Detektors. Für den Einsatz im Eis wurden spezielle aku-
stische Sensoren entwickelt und zur Erfassung der Schallemission von intensiven Protonen-
und Laserstrahlen im Wasser und Eis eingesetzt. Mit den gewonnenen Erfahrungen wurde
derbislanggrößteakustischeSender-undEmpfänger-Aufbauentwickelt,mitderZielsetzung,
die Ultraschalleigenschaften des südpolaren Eises in-situ zu untersuchen. Die Ergebnisse aller
dieser ersten Bemühungen werden in dieser Arbeit vorgestellt.
Schlagwörter:
Neutrino, Akustik, Kaskade, SüdpolivContents
1 Preface 1
2 Motivation 5
2.1 Ultra-high energy cosmic rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Charged cosmic ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 The GZK cutoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Neutrinos in cosmic rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Cosmogenic neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Other UHE neutrino sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Neutrino flavours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Detection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Prerequisites 29
3.1 Cosmogenic neutrino flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Neutrino interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Cross sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Secondaries and cascades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Neutrino flavours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Cascades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3 Longitudinal shower profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.4 Radial shower profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Thermo-acoustic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.1 In liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.2 In solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Ultrasonic ice properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.1 Velocity of sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.3 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.4 Ambient noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6 Ultrasonic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Simulation of a hybrid optical – radio – acoustic detector 57
4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
v5 Sensor and transmitter developement 63
5.1 Sensor principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.1 Piezoelectric ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.2 Impedance and materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.3 Resonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1.4 Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Sensor prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.1 Calibration methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.2 in water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.3 Evaluation in ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Thermo-acoustic sound generation 91
6.1 Signal predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Experimental results . . . . . . . . . .