[論文レビュー] Sensor development and calibration for acoustic neutrino detection in ice

T. Karg, M. Bissok+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、南極の氷中におけるニュートリノ検出のための音響センサーのラボベースのキャリブレーションを提示しており、温度、圧力、結合効果に注目している。アーヘン音響ラボおよびウッパータール・ウォータータンクといった専用施設を用い、レーザー誘発信号を通じて熱音響モデルを検証した。低温におけるセンサー感度の線形的増加が確認され、将来的な音響ニュートリノ望遠鏡における信頼性の高いイン・サイトキャリブレーションが可能となる。

ABSTRACT

A promising approach to measure the expected low flux of cosmic neutrinos at the highest energies (E > 1 EeV) is acoustic detection. There are different in-situ test installations worldwide in water and ice to measure the acoustic properties of the medium with regard to the feasibility of acoustic neutrino detection. The parameters of interest include attenuation length, sound speed profile, background noise level and transient backgrounds. The South Pole Acoustic Test Setup (SPATS) has been deployed in the upper 500 m of drill holes for the IceCube neutrino observatory at the geographic South Pole. In-situ calibration of sensors under the combined influence of low temperature, high ambient pressure, and ice-sensor acoustic coupling is difficult. We discuss laboratory calibrations in water and ice. Two new laboratory facilities, the Aachen Acoustic Laboratory (AAL) and the Wuppertal Water Tank Test Facility, have been set up. They offer large volumes of bubble free ice (3 m^3) and water (11 m^3) for the development, testing, and calibration of acoustic sensors. Furthermore, these facilities allow for verification of the thermoacoustic model of sound generation through energy deposition in the ice by a pulsed laser. Results from laboratory measurements to disentangle the effects of the different environmental influences and to test the thermoacoustic model are presented.

研究の動機と目的

• 極端な環境下ではイン・サイトキャリブレーションが現実的でないため、深部南極氷中における音響センサーのキャリブレーションの課題に対処すること。
• 低温、高圧、音響結合効果が氷中センサー応答に与える影響を分離・定量すること。
• パルスレーザーを制御されたキャリブレーション源として用い、氷中音響生成の熱音響モデルを検証すること。
• 大容量の気泡のない氷および水を生成できるラボ施設を整備し、現実的な条件下でのセンサー試験を可能とすること。
• センサー感度および指向性の特徴を明らかにすることで、将来的な音響ニュートリノ検出器におけるエネルギーおよび方向再構築の正確化を実現すること。

提案手法

• 比較法および受動的再結合原理を用いて、水および氷中でのラボキャリブレーションを通し、センサー感度および指向性を測定した。
• 2つの専用テスト施設を確立した：アーヘン音響ラボ（AAL）およびウッパータール・ウォータータンクテスト施設。両施設とも、気泡のない氷（3 m³）および水（11 m³）を大容量で備えていた。
• 1064 nm、532 nm、355 nmのパルスレーザー（Nd:YAG）を用い、光学によるビーム径および吸収長の制御を施した。
• 18個のセンサーからなるアレイを用いて、レーザー誘発パルスへのセンサー応答を測定し、空間的分布、周波数成分、パルス形状を分析した。
• 信号波形を分析し、フーリエ変換を適用することで、中心周波数（約100 kHz）を特定し、センサーの周波数応答関数を評価した。
• 温度（20 °Cから−25 °Cまで）、圧力、結合条件を系統的に変化させ、それらがセンサー感度に与える影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 南極の南極点で観測される−50 °Cのような極低温下で、氷中におけるセンサー感度はどのように変化するか？
• RQ2 高圧環境が氷中音響センサー応答に与える影響は何か？
• RQ3 センサーと氷との間の音響結合が、信号の振幅および信頼性に与える影響は何か？
• RQ4 レーザー誘発熱音響信号は、ニュートリノ衝突に伴うハドロンシャワーからの音響信号を正確に模倣できるか？
• RQ5 水および氷中でのラボ測定結果を、深部南極氷中でのイン・サイト条件にどの程度まで外挿できるか？

主な発見

• 温度低下に伴いセンサー感度が線形的に増加する傾向が観測され、低温環境が信号振幅を増幅することを示唆した。
• 圧力上昇に伴うセンサー応答の顕著な変化は認められず、圧力がキャリブレーションにほとんど影響しないことが示された。
• 1064 nm波長の55 mJパルスを用いて、3 m³の氷ブロック内でレーザー誘発熱音響信号を成功裏に生成・検出した。
• 検出されたパルスの中心周波数は約100 kHzであり、ビーム径（約1 μm）が小さいことと整合的であった。
• センサー・アレイを用いた測定により、熱音響信号の空間的分布および周波数成分が測定可能であり、熱音響モデルの妥当性を検証可能となった。
• 吸収長が約1 mの355 nmレーザー線が、ハドロンシャワーの10 mのエネルギー損失プロファイルを模倣するのに最も適していると特定された。