XXXII Bienal de Física XXXII Bienal de Física 07 – 11 de Septiembre de 2009, Ciudad Real EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE BALIZAS ÓPTICAS DEL TELESCOPIO DE

XXXII Bienal de FísicaXXXII Bienal de Física

07 – 11 de Septiembre de 2009, Ciudad Real


EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE BALIZAS ÓPTICAS DEL TELESCOPIO DE NEUTRINOS

ANTARES

HAROLD YEPES HAROLD YEPES RAMÍREZRAMÍREZ

IFIC IFIC – Instituto de Física Corpuscular (CSIC - – Instituto de Física Corpuscular (CSIC - UV)UV)

Valencia, Valencia, EspañaEspaña

Colaboración ANTARESColaboración ANTARES

CONTENIDO

1. El detector de neutrinos ANTARES.

2. Sistemas de calibración temporal en ANTARES.

3. Propiedades ópticas del medio usando el sistema de calibración de balizas ópticas.

Muón de 1.2 TeV atravesando el detector (SIMULACIÓN))




EL DETECTOR DE NEUTRINOS ANTARES

Matriz 3D de ~ 900 PMTs.

12 Líneas de detección.

25 Pisos / Línea.

3 PMT / Piso (OM Electrónica + PMT)

A 40 km de la costa de Toulón (Francia).

A 2.5 km de profundidad – 42º50’N 6º10’E.

¡ DETECTOR COMPLETO Y TOMANDO DATOS !

3

Esquema horizontal

~60 m

100 m

14.5 m

Cables de unión

2500 m de profundidad

Caja de unión

45°

Piso




EL DETECTOR DE NEUTRINOS ANTARES

Interacción de genera ultrarelativista (e y pueden generarse).

Fondo Físico: Interacciones de rayos cósmicos (atm y atm).

Fondo Óptico: Bioluminiscencia, desintegración de 40K.

p

at

m

p

N XW

PRINCIPALES OBJETIVOS:

Astrofísica de de alta energía (SNRs, -cuásares, AGNs, GRBs, …).

Búsqueda de nueva física (Materia oscura, monopolos, …).

- cuásares

SNR GRB

AGN

4

SISTEMAS DE CALIBRACIÓN TEMPORAL EN ANTARES

CALIBRACIÓN

TEMPORAL

RESOLUCIÓN TEMPORAL ABSOLUTA (fijar un tiempo universal para cada suceso)

RESOLUCIÓN TEMPORAL RELATIVA (Entre unidades

de detección)

RESOLUCIÓN ESPACIAL (posicionamiento acústico)

(Requiere resolución mejor que 10 cm)

~ 1 ms para correlacionar señales de detectadas con eventos astrofísicos transitorios (GRBs, Magnetars, etc.).

Limitaciones:

•Caminos electro – ópticos (tiempo de propagación entre estación de control y detector).

Limitaciones:

•TTS del PMT ( ~ 1.3 ns).

•Propiedades ópticas del agua ( ~ 1.5 ns).

Dispositivos de calibración

Funcionamiento deseado

5

• Otras contribuciones (electrónica, T de propagación desde distintos OMs, …), < 0.5 ns Permitir resolución angular esperada (mejor que 0.3º para E > 10 TeV).




CALIBRACIÓN CON LASER A TRAVÉS DE FIBRA

ÓPTICA

Objetivo: desfases temporales (time offsets) entre OMs, ( ~ 0.6 ns).

CALIBRACIÓN CON LED INTERNO EN OM

Objetivo: monitorizar el TT del PMT midiendo la diferencia temporal desde la emisión del pulso de luz y el tiempo que es registrado por el PMT ( ~ 0.5 ns).

CALIBRACIÓN ON-SHORE:CALIBRACIÓN ON-SHORE: CALIBRACIÓN CON SISTEMA DE RELOJ

Objetivo: proporcionar un tiempo de referencia común a todos los OMs (incertidumbre ~ 200 ps cumple requerimientos en resolución temporal absoluta).

6

CALIBRACIÓN IN-SITU:CALIBRACIÓN IN-SITU:


GPS

TXRX

Start-Stop

E/O/E

Conversor digital de tiempo (TDC)

Start -Stop

Cable MEOC (42 km) 1549 nm1532 nm

Divisor óptico (JB)

Cable EMC

1550 nm1310 nm

Cable (fibra) de enlace (200m-500m)

Linea25F5S

LCM tarjetas de reloj




CALIBRACIÓN CON 40K

Objetivo: método independiente para verificar los offsets relativos basado en análisis de coincidencias entre OMs ( ~ 0.7 ns).

CALIBRACIÓN CON EL SISTEMA DE BALIZAS ÓPTICAS (Optical Beacons)

Fuentes rápidas de luz pulsada de tipo LEDLED y LÁSERLÁSER con un tiempo de emisión bien conocido. Objetivos:Objetivos: calibración temporal in - situ del detector (resolución temporal, offsets relativos entre OMs), estudiar propiedades ópticas del agua.

4 LED BeaconsLED Beacons (LOB) por línea iluminar OMs en pisos superiores de la misma línea.

36 LED azules en cada LOB distribuidos en grupos de 6 en diseño hexagonal (rise time ~ 2 ns).

Emisión de luz independiente y/o conjunta a diferentes intensidades (~ 150 pJ).

LÁSERLÁSER de estado sólido capaz de emitir pulsos de luz cortos e intensos (1 J).Rise time ~ 0.33 ns.

Ubicados en las bases de las L8 y L7.

Calibración entre líneas de OMs en los pisos más bajos. Realizar verificaciones con el sistema de posicionamiento acústico.

60 m

300

m

60 m

300

m

F2

F9

F15

F21

LINEA

γ

40K

40Ca

e- ( decay)

7





LED BEACON

40K

LED BEACON – 40K

40K – LED BEACONS (LÍNEAS 1 – 5)

γ

40K

40Ca

e- ( decay)

Los offsets calculados

con LED Beacons

son validados por el 40K

RESOLUCIÓN TEMPORAL

σ = 0.4 ns

Resolución temporal en ANTARES. Evolución de la resolución temporal (diferencia de tiempos LOB - OM). Las fluctuaciones no excedieron los 0.35 ns (45 días).

8

Diferencia de offsets on-shore e in–situ (10L). Se

verifica la resolución iluminando un PMT

cercano (única incertidumbre

electrónica).

RMS = 0.7 ns

CORRECCIÓN DE OFFSETS





Longitud de absorción

Longitud de scattering

Distribución angular de scattering

PROPAGACIÓN DE FOTONES EN AGUA

Fuente isótropa de fotones con intensidad I0, el campo de fotones I medido por un PMT con área efectiva A, a una distancia R es:

L

R

eR

AII

20 4L

Rpe

pe eR

QQ

20

PROPIEDADES ÓPTICAS DEL MEDIO USANDO EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE PROPIEDADES ÓPTICAS DEL MEDIO USANDO EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE BALIZAS ÓPTICASBALIZAS ÓPTICAS

)()()( *** ppRayRay pp

p cos)1(cos

Coseno promedio de distribución global

(1-) = probabilidad de scattering por partículas suspendidas

9

effscatabs

effatt

111

cos1scateff

scat

Longitud de atenuación

Longitud de atenuación efectiva



07 – 11 de Septiembre de 2009, Ciudad RealF2

F25F25

LINEA

F3F3Un solo LED del

LOB del F2 ilumina pisos superiores

Medir intensidad de luz (carga Q colectada en una ventana de 1000 ns) colectada en PMTs de

pisos superiores

Representar la carga (Q) colectada como función de la

distancia (R)

Cortes de calidad (pérdidas de carga, fluctuaciones de ruido,

correcciones de carga)

PROPIEDADES ÓPTICAS DEL MEDIO USANDO EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE PROPIEDADES ÓPTICAS DEL MEDIO USANDO EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE BALIZAS ÓPTICASBALIZAS ÓPTICAS

DISTRIBUCIÓN TEMPORAL DE HITS EN PMTs

10

ROB-OM ~ 102 m

ROB-OM ~ 183 m

Parte derecha de la distribución influencia de scattering. A mayor distancia mayor fluctuaciones de ruido.




PROPIEDADES ÓPTICAS DEL MEDIO USANDO EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN PROPIEDADES ÓPTICAS DEL MEDIO USANDO EL SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE BALIZAS ÓPTICASDE BALIZAS ÓPTICAS

VALORES MEDIDOS DE VALORES MEDIDOS DE LL Y RESULTADOS MC Y RESULTADOS MC

El valor para L obtenido con el fit exponencial está siempre entre:

Latt < L < Labs

En ausencia de scattering:

L = Labs

Para un haz colimado:

L = Latt

Puede sugerirse a L como un límite inferior de la Labs.

AJUSTE EXPONENCIAL

¡ PRELIMINAR!

11

MC RÁPIDO: RELACIÓN EXISTENTE ENTRE LOS VALORES DE L Y LAS PROPIEDADES

ÓPTICAS DEL AGUA

• Variar Lsca (30 m – 60 m), <cos> (0.767, 0.897) a Labs fija (60 m). Observar valores para L.




CONCLUSIONES

ANTARESANTARES ha sido completado, está funcionando y haciendo física ((CF CF CHARLA JP GÓMEZ)CHARLA JP GÓMEZ)..

El sistema de Optical Beaconssistema de Optical Beacons ha medido la resolución temporal del detector (( < 0.5 ns) < 0.5 ns).

El sistema de Optical Beaconssistema de Optical Beacons permite medir los time offsets in situ y corregirlos. Los resultados han sido confirmadosconfirmados por análisis de coincidencias de 40K.

Con los offsets corregidos y la resolución temporal relativa verificada, la precisiónprecisión angularangular del detector (< 0.3º)(< 0.3º) para neutrinos de alta energía puede ser alcanzada.

EL sistema de Optical Beacons también permite la estimación de las propiedades ópticas del agua. En particular, se puede establecer un límite inferior a la longitud de absorción de L ~ 60 mL ~ 60 m..

Estudios en cursoEstudios en curso para estudiar la evolución de la longitud de absorción y optimizar la estimación de los errores.

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