[论文解读] Livetime and sensitivity of the ARIANNA Hexagonal Radio Array

ARIANNA Collaboration, S. W. Barwick+37 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用 3

一句话总结

ARIANNA 六边形无线电阵列（HRA）在2014–2015年于罗斯冰架的部署中实现了超过90%的运行时间，证明了其在冰中通过无线电脉冲探测高能中微子时具有高可靠性与高灵敏度。该阵列成功观测到持续的银河系无线电发射以及一次太阳爆发，证实了其在150 MHz以下的探测灵敏度，并验证了硬件性能，为未来的中微子与宇宙射线研究奠定了基础。

ABSTRACT

The ARIANNA collaboration completed the installation of the hexagonal radio array (HRA) in December 2014, serving as a pilot program for a planned high energy neutrino telescope located about 110 km south of McMurdo Station on the Ross Ice Shelf near the coast of Antarctica. The goal of ARIANNA is to measure both diffuse and point fluxes of astrophysical neutrinos at energies in excess of 1016 eV. Upgraded hardware has been installed during the 2014 deployment season and stations show a livetime of better than 90% between commissioning and austral sunset. Though designed to observe radio pulses from neutrino interactions originating within the ice below each detector, one station was modified to study the low-frequency environment and signals from above. We provide evidence that the HRA observed both continuous emission from the Galaxy and a transient solar burst. Preliminary work on modeling the (weak) Galactic signal confirm the absolute sensitivity of the HRA detector system.

研究动机与目标

• 验证 ARIANNA 六边形无线电阵列（HRA）作为未来高能中微子望远镜先导计划的性能与运行时间。
• 评估 HRA 检测系统对低频无线电信号的灵敏度，特别是低于150 MHz的信号。
• 表征南极无线电静默环境中宇宙射线与天然无线电发射产生的背景信号。
• 在极端条件下测试数据获取与通信系统，包括长期自主运行。
• 通过持续银河系发射与瞬态太阳爆发的观测，确认 HRA 的绝对灵敏度。

提出的方法

• 在罗斯冰架部署8个自主 HRA 站点，每个站点配备四个向下指向的对数周期对偶振子天线（LPDAs），其中一个站点额外配备向上指向的天线用于环境研究。
• 采用升级后的 SST 数据获取芯片，实现每秒20亿样本的256点波形捕获，功耗降低至<6W，并支持通过高速无线或 Iridium SBD 实现实时数据传输。
• 实施双通信系统：通过中继器实现长距离无线通信，以及低带宽的 Iridium 短突发数据（SBD）通信，实现低功耗、高可靠性的数据传输。
• 利用太阳高度角数据与系统状态日志进行校准与运行时间监控，以评估运行效率。
• 使用测量幅度的傅里叶变换对银河系无线电发射进行建模，并与理论预测进行比较，以验证探测器响应。
• 利用 CoREAS 和 CORSIKA 模拟空气簇射信号，估算宇宙射线背景率并评估触发阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 HRA 站点在南半球夏季至冬季过渡期间的运行时间表现如何？电池支持对运行连续性有何影响？
• RQ2 HRA 在多大程度上探测到持续的银河系无线电发射？这是否证实了探测器系统在150 MHz以下的绝对灵敏度？
• RQ3 观测到的信号幅度与银河系和太阳无线电发射的理论预测相比如何？这对天线响应建模有何启示？
• RQ4 HRA 频率带内宇宙射线诱导空气簇射信号的阈值能量与预期发生率是多少，特别是在 LPDA 的后瓣方向？
• RQ5 Iridium SBD 通信系统能否在低触发率下可靠传输数据？其是否适用于长期自主运行？

主要发现

• 配备功能正常电池的 HRA 站点实现了超过90%的运行时间，仅6%的死机时间主要由通信暂停造成。
• 电池故障的站点在日照减少时运行时间逐渐下降，并因软件故障导致持续数天的停机。
• HRA 成功观测到持续的银河系无线电发射与一次瞬态太阳爆发，证实了其在85–130 MHz频段的探测灵敏度。
• 银河系信号的实测幅度在不确定度范围内与理论预测一致，验证了 HRA 系统的绝对灵敏度。
• Iridium SBD 通信系统成功以约毫赫兹的触发率传输数据，证明其在低功耗、自主数据传输中的可行性。
• 利用 CoREAS 和 CORSIKA 的空气簇射模拟表明，HRA 对宇宙射线的灵敏度高度依赖于对 LPDA 后瓣响应在低频段的精确建模。