[論文レビュー] Acoustic detection of high energy neutrinos in ice: Status and results from the South Pole Acoustic Test Setup

F. Descamps|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、将来の超高エネルギーニュートリノ検出を目的とした、南極氷の音響特性を評価するためのサウスポール音響テストセットアップ（SPATS）の結果を提示する。音速、減衰長、バックグラウンドノイズを測定し、375 m深度における圧力波速度が3878 ± 12 m/sで、勾配は顕著でないことを確認した。また、200–350 mの範囲での初期の減衰長測定結果を得ており、氷中における大規模音響ニュートリノ望遠鏡の実現可能性を支持する。

ABSTRACT

The feasibility and specific design of an acoustic neutrino detection array at the South Pole depend on the acoustic properties of the ice. The South Pole Acoustic Test Setup (SPATS) has been built to evaluate the acoustic characteristics of the ice in the 1 to 100 kHz frequency range. The most recent results of SPATS are presented.

研究の動機と目的

• 南極氷における超高エネルギーニュートリノの音響検出の実現可能性を評価すること。
• 大規模音響ニュートリノ望遠鏡の設計に不可欠な、音速、減衰長、バックグラウンドノイズ、一時的信号の頻度といった、主要な音響特性を測定すること。
• 1–100 kHz周波数帯域における氷の音響透過性および信号伝播特性を評価すること。
• 南極の氷が、km³規模のニュートリノ検出器に必要な長距離音響信号伝送を可能にするかを検証すること。

提案手法

• IceCubeのホールに、80〜500 mの深度に位置する、4本の垂直なSPATSストリングを配置し、各ストリングに7つの音響ステージを設置した、台形形状のアレイを形成した。
• GPSで時間同期された、回収可能なピンガーと氷中に埋め込まれたSPATS送信機を用い、1–100 kHzの帯域でブロードバンド音響パルスを発生させた。
• 圧力波および剪断波の伝播時間の測定により音速プロファイルを決定し、250–500 m深度のデータに線形フィットを適用した。
• 信号振幅の距離依存減衰を解析し、減衰長を推定した。時間領域および周波数領域でのエネルギー抽出法を用いた。
• 送信機-センサ対間の振幅比を用いる手法を適用し、キャリブレーションの不確実性を最小限に抑え、絶対感度に依存しない形で減衰長を独立に推定した。
• 平均化されたノイズ波形と、実験室でキャリブレートされた感度を比較することで、200 m未満の深度における絶対ノイズレベルを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 250–500 m深度におけるサウスポール氷蓋の垂直音速プロファイルは何か？また、信号の屈折を引き起こす顕著な勾配を示すか？
• RQ2 1–100 kHz帯域における氷の音響減衰長は何か？また、これは吸収または散乱によって支配されているか？
• RQ3 200 m未満の深度における氷内における連続的および一時的なバックグラウンドノイズのレベルとスペクトル形状は何か？
• RQ4 信号の指向性およびセンサ応答が、音響ニュートリノ信号の検出効率および方位分解能に与える影響は何か？
• RQ5 氷の音響特性が、km³規模の音響ニュートリノ望遠鏡の設計を可能にするか？

主な発見

• 375 m深度における圧力波速度は3878 ± 12 m/sであり、音速勾配は(0.09 ± 0.13) m/s毎メートルであり、ゼロと一致する。
• 375 m深度における剪断波速度は1975.8 ± 8.0 m/sであり、勾配は(0.067 ± 0.806) m/s毎メートルであり、これもゼロと一致する。
• サウスポール氷における剪断波速度の最初の直接測定により、理論通りに圧力波速度のおおよそ半分であることが確認された。
• 連続的バックグラウンドノイズレベルは、実験室キャリブレーションの外挿に基づき、10–50 kHz帯で10 mPa未満と推定された。
• ピンガーおよびストリング間送信機実験からの初期の減衰長測定結果は、200–350 mの範囲を支持するが、吸収または散乱が支配的であるかは未解決のままである。
• 氷内の一時的信号の頻度は低く、大部分は既知の人為的要因と相関づけることができ、ニュートリノ検出における誤報リスクが低減される。