Λειτουργικά χαρακτηριστικά και ανιχνευτική ικανότητα πρότυπου ανιχνευτή του υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ: μέτρηση της ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων σε θαλάσσιο βάθος 3800 m

  1. PhD dissertations
  2. Operation and performance of a test module of the NESTOR deep-sea neutrino telescope: measurement of the cosmic-ray muon flux at a depth of 3800 m
  3. Τσιριγώτης, Απόστολος
  4. Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας
  5. 2004 [2004]
  6. Ελληνικά
  7. Τζαμαρίας, Σπυρίδων
  8. Ανασόντζης, Ευστράτιος | Γούδης, Χρήστος | Δρης, Εμμανουήλ | Σκόδρας, Αθανάσιος | Αλεξόπουλος, Θεόδωρος
  9. Κοσμική ακτινοβολία | Το νετρίνο ως μέσο παρατήρησης του Σύμπαντος | Τηλεσκοπία νετρίνων | Προσομοίωσ υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων | Βαθμονόμηση και επεξεργασία σήματος ανιχνευτή | Λειτουργία και απόδοση του τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ | Ανακατασκευή τροχιών μιονίων | Μέτρηση της ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων
  10. science-technology
  11. πιν., σχημ.
    • Ο άνθρωπος πάντα κοιτούσε με περιέργεια τον νυχτερινό ουρανό. Τα αστέρια και οι πλανήτες δεν αποτελούσαν μόνο πηγή μύθων, αλλά επίσης εξυπηρετούσαν τον Άνθρωπο ως εργαλεία πλοήγησης. Γι’ αυτόν τον λόγο η αστρονομία είναι μια από τις αρχαιότερες επιστήμες. Μέχρι τις αρχές του εικοστού αιώνα ο μόνος τρόπος παρατήρησης του ουρανού ήταν μέσω φωτονίων στα οπτικά μήκη κύματος. Κατά την διάρκεια του εικοστού αιώνα η αστρονομία φωτονίων επεκτάθηκε σε ευρύτερη περιοχή μήκους κύματος. Η μοντέρνα αστροφυσική τώρα πλέον παρατηρεί τον ουρανό σε μία ευρεία περιοχή συχνοτήτων, από τα μικροκύματα μέχρι και τις ενεργειακές ακτίνες γάμμα. Το νέο παράθυρο το οποίο ανοίχτηκε για την παρατήρηση του σύμπαντος έδωσε το έναυσμα για νέες ανακαλύψεις. Νέα αντικείμενα και φαινόμενα, όπως το κοσμικό υπόβαθρο της μικροκυματικής ακτινοβολίας, οι παλλόμενες ραδιοπηγές (pulsars), οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες (Active Galactic Nuclei), οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα (Gamma Ray Bursts), κ.τ.λ ανακαλύφθηκαν. Καθοριστική χρονιά για την αστροφυσική αποτέλεσε το 1912 όταν ο Victor Hess ανακάλυψε τις κοσμικές ακτίνες. Αυτό οδήγησε στην χρήση των πρωτονίων και άλλων ατομικών πυρήνων ως αγγελιοφόρων από το διάστημα. Αυτοί οι νέοι φορείς πληροφορίας έφεραν μαζί τους και μια αλυσίδα από ερωτήσεις που αφορούν στην προέλευση και στο μηχανισμό επιτάχυνσης τους. Αυτές οι ερωτήσεις ακόμα και σήμερα προβληματίζουν τους επιστήμονες. Τις τελευταίες δεκαετίες ένα νέο σωμάτιο, το νετρίνο, χρησιμοποιείται για την αναζήτηση λύσεων σε αυτά τα νέα ερωτήματα. Ως αγγελιοφόροι από το διάστημα, τα νετρίνα διαθέτουν πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις φορτισμένες κοσμικές ακτίνες και τα φωτόνια, εφόσον δεν απορροφούνται ούτε αποκλίνουν από την πορεία τους. Κατά την διάδοση τους στο διάστημα μόνο η βαρυτική δύναμη μπορεί να τα εκτρέψει της ευθύγραμμης πορείας τους. Αντίθετα, η απόσταση που ένα υψηλοενεργειακό φωτόνιο μπορεί να διασχίσει στο διάστημα ελαττώνεται ραγδαία όσο αυξάνεται η ενέργεια του. Το μέσο μήκος ελεύθερης διαδρομής ενός φωτονίου (η απόσταση μεταξύ της παραγωγής του και της αλληλεπίδρασης του με το κοσμικό υπόστρωμα μικροκυμάτων ή την υπέρυθρη ακτινοβολία) με ενέργεια στην περιοχή των PeV 1 (1015eV), περιορίζεται σε μερικά Mpc. Επιπλέον οι φορτισμένες κοσμικές ακτίνες παρεκκλίνουν της ευθύγραμμης πορείας τους από διαγαλαξιακά ή γαλαξιακά μαγνητικά πεδία. Το βραβείο Nobel φυσικής για το έτος 2002 απενεμήθη σε τρεις πρωτοπόρους της πειραματικής αστροσωματιδιακής φυσικής: στους Raymond Davis και Masatoshi Koshiba για «την πρωτοπόρα συνεισφορά τους στην αστροφυσική και συγκεκριμένα για την ανίχνευση των κοσμικών νετρίνων» και στον Riccardo Giacconi για «την συνεισφορά του που οδήγησε στην ανακάλυψη των πηγών κοσμικών ακτινών-Χ». Η αστροφυσική νετρίνων μπορεί να θεωρηθεί ως ορόσημο στην συναρπαστική και επιτυχή εκστρατεία για την απόκτηση νέων τρόπων παρατήρησης του Σύμπαντος με την εξερεύνηση νέων μονοπατιών. Ως τώρα, η αστροφυσική νετρίνων χαμηλής ενέργειας, μερικών MeV, έχει να επιδείξει συναρπαστικά αποτελέσματα με την ανίχνευση ηλιακών νετρίνων και νετρίνων από τον υπερκαινοφανή SN1987A [1-3]. Δεν θα πρέπει να παραληφθεί ο άλλος «θρίαμβος» των τηλεσκοπίων νετρίνων που αφορά στην μελέτη των ατμοσφαιρικών νετρίνων: νετρίνων που παράγονται από τους ατμοσφαιρικούς καταιονισμούς φορτισμένων αδρονίων της κοσμικής ακτινοβολίας. Η μελέτη ατμοσφαιρικών και ηλιακών νετρίνων καθιέρωσε την μίξη των νετρίνων με την παραβίαση της διατήρησης του λεπτονικού αριθμού. Η σημερινή επιδίωξη των τηλεσκοπίων νετρίνων μεγάλων διαστάσεων είναι η επέκταση του παράθυρου παρατήρησης σε νετρίνα με ενέργειες που κυμαίνονται από GeV ως PeV. Η ιδέα της χρήσης των ωκεανών για την εγκατάσταση αυτών των τηλεσκοπίων νετρίνων ξεκίνησε την δεκαετία του 1960 [4]. Αρχικές προσπάθειες έγιναν στα πλαίσια του πειράματος DUMAND [5]. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν δύο τηλεσκόπια υψηλοενεργειακών νετρίνων που λειτουργούν, το ένα στους πάγους της Ανταρκτικής (AMANDA) [6] και το δεύτερο στην λίμνη της Βαϊκάλης στην Σιβηρία (Baikal) [7]. Το τηλεσκόπιο νετρίνων ΑΜΑΝDΑ έχει εξασφαλίσει τα μέσα για την επέκταση του, σε διαστάσεις που απαιτούνται για την ανίχνευση κοσμικών νετρίνων και την αναζήτηση νέας φυσικής (ICECUBE) [8]. Η ανάγκη για την κατασκευή ενός δεύτερου τηλεσκοπίου στο Βόρειο Ημισφαίριο, ώστε να καλύπτεται πλήρως ο Ουράνιο Θόλος, έχει οδηγήσει σε διάφορα πιλοτικά προγράμματα (ANTARES, NEMO, NESTOR) [9-11] σχεδιασμού και αξιολόγησης τεχνολογίας και μεθόδου κατασκευής υποθαλάσσιων τηλεσκοπίων νετρίνων μεγάλου μεγέθους. Τα πιλοτικά 2 αυτά προγράμματα συνεργάζονται στα πλαίσια των προγράμματος KM3 Net για τον τελικό σχεδιασμό του Ευρωπαϊκού υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων [12]. Σε αυτή την διδακτορική διατριβή περιγράφεται η απόδοση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά ενός πρότυπου ανιχνευτή του Τηλεσκοπίου Νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ, ο οποίος ποντίστηκε τον Μάρτιο του 2003 στη βαθιά θάλασσα και συνέλεξε πειραματικά δεδομένα. Περιγράφεται επίσης η μεθοδολογία ανάλυσης των δεδομένων, ανακατασκευής των τροχιών μιονίων και η μέτρηση της ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων στο υποθαλάσσιο βάθος των 3800 μέτρων. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ανιχνευτή και η πειραματική πληροφορία που συλλέχθηκε αποδεικνύουν ότι η αρχιτεκτονική και τεχνολογία που προτείνεται από το πρόγραμμα ΝΕΣΤΩΡ είναι πράγματι κατάλληλη για την κατασκευή ενός μεγάλου (km3) τηλεσκοπίου νετρίνων. Στα Κεφάλαια 1-4 γίνεται αναφορά στις καθιερωμένες θεωρίες και πρότυπα της δόμησης και των βασικών αλληλεπιδράσεων της ύλης καθώς και στα ανοικτά ερωτήματα που τίθενται στην αστροσωματιδιακή φυσική και στη λύση των οποίων αναμένεται να συμβάλει η τηλεσκοπία νετρίνων. Επίσης γίνεται αναφορά σε φυσικά φαινόμενα και διεργασίες στις οποίες εδράζεται η αρχή λειτουργίας των τηλεσκοπίων νετρίνων. Στα Κεφάλαια 5-8 περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ, όπου δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της αρχιτεκτονικής των ανιχνευτικών συσκευών, στις ηλεκτρονικές διατάξεις επιλογής γεγονότων, ψηφιοποίησης του πειραματικού σήματος, ελέγχου των πειραματικών συσκευών και μετάδοσης της πειραματικής πληροφορίας στο παράκτιο εργαστήριο. Επισημαίνεται ότι βασικό και αναπόσπαστο τμήμα των τηλεσκοπίων νετρίνων αποτελεί το φυσικό περιβάλλον στην τοποθεσία βύθισης. Περιγράφονται τα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά της περιοχής του Φρέατος των Οινουσσών που προτείνεται από την ερευνητική συνεργασία ΝΕΣΤΩΡ για την κατασκευή ενός Ευρωπαϊκού τηλεσκοπίου νετρίνων μεγάλων διαστάσεων. Στο Κεφάλαιο 9 περιγράφεται η διαδικασία προσομοίωσης του ανιχνευτή, ενώ στο Κεφάλαιο 10 περιγράφεται η διαδικασία της επεξεργασίας του ψηφιοποιημένου σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών. Το Κεφάλαιο 11 είναι αφιερωμένο στις διαδικασίες βαθμονόμησης του ανιχνευτή στο εργαστήριο, αλλά και στην βαθιά θάλασσα. Το Κεφάλαιο 12 περιγράφει τα 3 λειτουργικά χαρακτηριστικά και απόδοση του πρότυπου ανιχνευτή ΝΕΣΤΩΡ, στην επιλογή γεγονότων και καταγραφή της πειραματικής πληροφορίας κατά τη διάρκεια λειτουργίας του. Τέλος στα Κεφάλαια 13 και 14 περιγράφεται η διαδικασία ανακατασκευής των τροχιών των μιονίων, καθώς και η μέτρηση της διαφορικής ροής των ατμοσφαιρικών μιονίων στο θαλάσσιο βάθος που βρίσκεται ο ανιχνευτής (3800m) χρησιμοποιώντας την εμπειρική παραμετροποίηση 0cosdNIddsdtμαθ=Ω. Περιγράφονται οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν προκειμένου να εκτιμηθούν οι τιμές της κατακόρυφης ροής, 0I, και του φασματικού δείκτη, α, καθώς και για την εκτίμηση των στατιστικών και συστηματικών σφαλμάτων. Οι μετρήσεις μας βρέθηκαν σε συμφωνία με τις προβλέψεις φαινομενολογικών μοντέλων καθώς και με προηγούμενες άλλες μετρήσεις πειραμάτων και αποδεικνύεται ότι πάσχουν από το μικρότερο σφάλμα συγκριτικά με όλες τις άλλες μετρήσεις που περιέχονται στην επιστημονική βιβλιογραφία. 4
  13. Hellenic Open University
  14. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.