Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone Rivelazione dei segnali.

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1 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Rivelazione dei segnali acustici sottomarini prodotti nelle interazioni di neutrini di alta energia. Seminario di Dottorato XXI Ciclo Francesco Simeone

2 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Riassunto Interesse fisico nell’individuazione dei neutrini astrofisici di altissima energia. Interazione dei neutrini in acqua e parametrizzazione del segnale acustico. Caratteristiche ambientali. Propagazione del suono in acqua. Rivelatori acustici sottomarini. Algoritmo di rivelazione. Conclusioni.

3 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Astronomia con i neutrini Protoni di alta energia (50 Mpc) neutrini Sorgente astrofisica Protoni di bassa energia (deflessi) Fotoni energetici (10 Mpc)

4 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Interazioni dei neutrini: sezioni d’urto Due possibili interazioni con i nucleoni: Interazioni di corrente carica (CC) Interazioni di corrente neutra (NC) (CC) (NC) Circa l’80% dell’energia del neutrino e’ trasportata dal leptone Circa il 20% dell’energia del neutrino e’ contenuto nello sciame adronico

5 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Interazioni dei neutrini: sciami La distribuzione longitudinale dello sciame elettromagnetico, per energie superiori a 10 15 eV, risulta incrementata a causa dell’effetto LPM (Landau Pomeranchuck Migdal): "la lunghezza di radiazione del processo di bremsstrahlung cresce come √E" Le sezioni d’urto dei vari processi responsabili della formazione dello sciame non sono mai state misurate a queste energie. Vengono eseguite delle estrapolazioni da energie minori.

6 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Formazione del segnale acustico La deposizione di energia, conseguenza dello sciame indotto dall’interazione del neutrino, genera un riscaldamento ed una rapida espansione dell’acqua risultante in un’onda di pressione. Impulso derivante da una deposizione puntiforme di energia Deposizione istantanea

7 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Parametrizzazione del segnale: forma e spettro del segnale Il segnale acustico è stato parametrizzato con una formula empirica tale da riprodurre la forma del segnale acustico presente in letteratura. Il segnale mostrato corrisponde ad un energia dello sciame di 10 20 eV misurato ad 1km dallo sciame. Si assume che l’ampiezza del segnale vari linearmente con l’energia del neutrino. [ Lehtinen et al. (Astropart. Phys. 17 (2002) 279)] Il suo spettro e’ stato valutato utilizzando la forma parametrica del segnale.

8 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Parametrizzazione del segnale: distribuzione angolare dell’onda di pressione Sciame Onda acustica L’emissione acustica e’ coerente nel piano ortogonale all’asse dello sciame. La forma, nel tempo, del segnale, così come il suo contenuto spettrale sono funzione dell’angolo di emissione rispetto all’asse dello sciame.

9 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Caratteristiche ambientali: attenuazione del suono in acqua Contributi considerati: Acqua pura Acido Borico Solfato di Magnesio Modifica della forma nel tempo del segnale in funzione della distanza percorsa in acqua. (nessuna attenuazione geometrica) Attenuazione vs Frequenza Forma del segnale acustico

10 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Caratteristiche ambientali: rumore ambientale Una delle maggiori fonti di informazioni riguardo il rumore acustico a grandi profondita’ sono i dati sperimentali acquisiti dall’apparato ONDE di NEMO. Nella banda di frequenze di interesse per la rivelazione di segnali acustici da neutrino il rumore ambientale e’ di circa 20mPa. La principale variazione del rumore nel corso dell’anno e’ legata alle variazioni climatiche e la loro interazione con la superficie del mare.

11 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Caratteristiche ambientali: temperatura, salinita’ velocita’ del suono Velocità del suono TemperaturaSalinità

12 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Propagazione del suono in acqua. Propagazione nel caso di gradiente della velocità del suono non costante Propagazione nel caso di gradiente costante della velocità del suono (linee rosse). In questo caso le traiettorie sono archi di circonferenze. Le linee verdi rappresentano la propagazione per velocità del suono costante.

13 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Ampiezza del segnale acustico Ampiezza del segnale in funzione dell’energia del neutrino, misurata a 1km dallo sciame in direzione ortogonale allo sciame. Energia(eV)Ampiezza(mPa) 10 18 ~1 10 19 ~10 10 20 ~100 10 21 ~1000 Ampiezza del segnale in funzione dell’angolo di emissione, per un’energia del neutrino di 10 20 eV, misurata a 1km dallo sciame. Angolo di emissione(gradi) Ampiezza(mPa) 0~100 1~30 2~6 3~1 L’ampiezza del segnale acustico generato dal rilascio energetico conseguente all’interazione dei neutrini varia in funzione di: Energia del neutrino Angolo di emissione Distanza percorsa Ampiezza del segnale in funzione della distanza percorsa, per un’energia del neutrino di 10 20 eV, misurata ortogonalmente allo sciame. Distanza(km)Ampiezza(mPa) 1~100 5~8 10~2.5 100~0

14 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Algoritmo di rivelazione: strategia Il segnale acustico che vogliamo rivelare e’ confrontabile con il rumore ambientale e, in molti casi, minore. Inoltre la propagazione del suono in acqua rende difficile ricostruire il punto di interazione del neutrino. L’ottimizzazione della rivelazione dei segnali acustici sottomarini da neutrini è stata ottenuta migliorando il rapporto Segnale/Rumore agendo su due fronti: Singolo idrofono. Filtro di forma => massimo rapporto segnale rumore. Array di idrofoni vicini. Beam-forming => ulteriore incremento del rapporto Segnale/Rumore e stima della direzione di arrivo dell’onda di pressione. L’idea e’ quella di utilizzare come singola entita’ costitutiva (modulo acustico) di un ipotetico rivelatore, non un singolo idrofono ma un piccolo array di idrofoni. Con un Detector basato su “arrays di idrofoni vicini” è possibile applicare la tecnica del “Ray tracing” => conoscendo gli istanti e le direzioni di arrivo del fronte d’onda sui vari moduli acustici si ricostruisce il punto di interazione del neutrino.

15 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Filtro di forma Il filtro di forma è il filtro lineare che massimizza il rapporto segnale rumore in presenza di rumore bianco. E’ possibile estendere il suo utilizzo al caso di uno spettro di rumore arbitrario purché noto. Filtro di forma S(t)X(t) N(t) Y(t) In questo esempio il rapporto segnale rumore e’ di -6dB.

16 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Filtro di forma: parametrizzazione. Le prestazioni del filtro di forma sono strettamente legate alla conoscenza della forma del segnale ma, applicando un numero modesto di filtri differenti, è possibile ricoprire ragionevolmente bene lo spazio dei parametri. La sua applicazione consente di discriminare chiaramente (3  ) il segnale dal fondo in casi di SRN=-6dB.

17 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Beamformig Il beamforming è un algoritmo che combina i segnali di n idrofoni, opportunamente ritardati e pesati, per ottenere un unico segnale in cui gli impulsi acustici provenienti da una particolare direzione vengono sommati coerentemente.

18 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Beamformig La tecnica del beamforming consente di incrementare ulteriormente il SNR mediando il rumore scorrelato tra i vari idrofoni dell’array. E’ possibile distinguere il segnale dal fondo in caso di SNR=-12dB e ricostruire la direzione di arrivo dell’onda entro alcuni gradi. φ θ φ θ

19 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Rivelatori acustici sottomarini: geometria dell’apparato L’elemento base di un possibile apparato sottomarino per la rivelazione acustica di neutrini, che e’ stato proposto e simulato in questo lavoro, è una stringa verticale di 20 arrays distanziati tra di loro di 50m. Ogni array e’ composto da 4 idrofoni sui quali viene applicato il filtro di forma ed il beamforming. Questa struttura puo’ essere replicata per aumentare il volume efficace di rivelazione. In questa lavoro sono state simulate tre stringhe ai vertici di un triangolo equilatero di 500m di lato. L’efficienza viene calcolata, in funzione della distanza, come numero di eventi misurati da almeno due array sul numero totale di eventi generati. Nel grafico riportato l’energia del neutrino è pari a 10 20 eV. Il volume efficace può essere stimato integrando numericamente questa funzione e risulta pari a 84.6±3.8 km 3.

20 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Rivelatori acustici sottomarini: geometria dell’apparato E’ stata eseguita una simulazione delle prestazioni della torre di NEMO fase 2 come antenna acustica per neutrini. La torre è una struttura semirigida composta da 16 piani alle cui estremita’ sono presenti due idrofoni utilizzati per il posizionamento acustico della struttura. I piani sono spaziati verticalmente di 40m. L’efficienza viene calcolata, in funzione della distanza, come numero di eventi misurati da almeno 4 idrofoni sul numero totale di eventi generati. Nel grafico riportato l’energia del neutrino è pari a 10 20 eV. Il volume efficace può essere stimato integrando numericamente questa funzione e risulta pari a 6.1±0.2 km 3.

21 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Ricostruzione: punto di interazione La ricostruzione del punto di interazione, è stata effettuata ricercando l’istante in cui fosse minima da distanza tra i vari raggi acustici ricostruiti dai singoli array. Il punto di interazione è stato stimato come la media delle posizioni dei vari raggi calcolate in questo istante. I grafici sono relativi ad una distanza di 3.6km ed una energia del neutrino pari a 10 20 eV. Questa tecnica non è applicabile alla torre di NEMO poiche’ il singolo sensore e’ un idrofono e non un array di idrofoni.

22 Seminario di Dottorato XXI Ciclo, 16 Ottobre 2008, Universita’ “La Sapienza” Francesco Simeone (francesco.simeone@roma1.infn.it) Conclusioni L’individuazione acustica e’ una tecnica promettente ma non ancora “matura”. I segnali sono facilmente discriminabili dal fondo solo nel caso di energie molto elevate (>10 19 eV). L’utilizzo di tecniche come il beam-forming ed il matched filter consentono di aumentare il rapporto S/N e quindi di estendere la sensibilità ad energie più basse. Gli algoritmi di ray-tracing, combinati con il beam-forming, consentono di ricostruire più facilmente il punto di interazione del neutrino. E’ fondamentale utilizzare questa tecnica in un rivelatore ibrido (ottico-acustico).