Resum
Context.
En els últims anys els telescopis submarins de neutrins han cobrat una major importància ja que consisteixen en un nou i únic instrument per observar l'Univers. Els neutrins són partícules sense càrrega i interactuen molt dèbilment amb la matèria que els envolten, poden escapar fàcilment de la font que els ha produït i arribar a La Terra sense ser desviats pels camps magnètics i sense interactuar amb altres partícules. Això implica que els neutrins poden portar informacions astrofísiques que altres missatgers no poden aportar i obrir una potencial nova finestra cap a l’Univers. D'altra banda, la seva baixa interacció amb la matèria imposa la necessitat de construir un detector de grans dimensions, de l'ordre d'1 km3, mitjançant un gran volum d'aigua o gel i amb molts sensors òptics per detectar aquesta interacció de neutrí d'alta energia. Un mètode per detectar neutrins és a través de la llum Cherenkov emesa pel muó generat després d'una interacció de neutrí. Aquesta partícula, en travessar el detector amb una velocitat superior a la llum en el medi, genera una feble llum blavosa anomenada radiació de Cherenkov que és detectada per una xarxa de sensors òptics (fotomultiplicadors). El temps d'arribada de la llum als fotomultiplicadors pot ser utilitzat per reconstruir la traça del muó i conseqüentment del neutrí que l'ha produït. La precisió en la reconstrucció de la traça del muó depèn de la precisió en la mesura del temps d'arribada de la llum i en la precisió de la posició dels sensors òptics en el detector. Per això, en telescopis submarins és necessari un Sistema de Posicionament Acústic (APS) capaç de monitoritzar el moviment dels sensors òptics amb una precisió de ~ 10 cm (pràcticament el diàmetre del fotomultiplicador). Els estudis realitzats estan emmarcats dins de les activitats de calibratge de posicionament acústic en dues col•laboracions europees per al disseny, construcció i operació de telescopis submarins de neutrins a la Mediterrània: ANTARES (en fase d'operació) i KM3NeT (en fase de preparació per a la construcció).

Síntesi.
En aquesta tesi es presenten els treballs i resultats per al disseny, desenvolupament, test i caracterització d'un prototip de transceptor acústic per ser utilitzat en l'APS del futur telescopi de neutrins KM3NeT.

Objectius.
Els objectius d'aquest treball es poden resumir en els següents punts:
- Disseny del transceptor acústic per a l’APS de KM3NeT.
- Desenvolupament del prototip de transceptor acústic.
- Caracterització del transceptor al laboratori i al mar.
- Adaptació del prototip per a la seva integració en ANTARES i NEMO sites per a la seva validació in situ.

Elements de la metodologia a destacar.
Cal destacar aquí que el treball s'ha desenvolupat en el marc del consorci internacional KM3NeT, finançat amb fons europeus i nacionals. Pel context i el caràcter de les activitats realitzades ha estat necessària la formació en diferents camps: telescopis de neutrins i astropartícules, però també en altres àrees com l'acústica submarina i els transductors. A més, s'ha desenvolupat diverses capacitats i destreses en diversos àmbits: en instrumentació, en disseny i caracterització de sistemes acústics en aigua, en anàlisi de dades, etc.
Més concretament, per al disseny del transceptor s'ha triat el transductor acústic amb millors prestacions per a l'aplicació proposta i s'ha dissenyat l'electrònica. També s’han realitzat diferents configuracions de mesures per testejar i validar el prototip, s'han analitzat les diferents mesures i s'han obtingut els resultats i conclusions. Finalment, s'han realitzat les tasques per a la seva integració en telescopis de neutrins submarins.


Resultats assolits.
S'ha realitzat l'estudi, desenvolupament i test d'un prototip de transceptor per a l’APS de KM3NeT proposat. El prototip és constituït per un transductor de tipus Free Flooded Ring FFRSX30 amb rang de treball des de 20 kHz fins a 40 kHz i una targeta electrònica anomenada SEB (Sound Emission Board) capaç de controlar l'emissió i recepció de diferents senyals. En primer lloc, s'ha caracteritzat els transductors amb la finalitat d'estudiar la seva sensibilitat i la seva dependència a elevada pressió (fins a 440 bar). En segon lloc s'ha testejat i caracteritzat el sistema sencer (FFRSX30 més SEB) i s’ha provat el sistema en diferents condicions ambientals (tanc, piscina i port de Gandia) amb l'objectiu d'integrar-lo en els detectors de neutrins ANTARES, NEMO i KM3NeT. Cal destacar que els transductors proposats presenten bones característiques per a la seva aplicació en l'APS del detector KM3NeT i fins i tot es podrien utilitzar com a receptors, encara que s'haurien de considerar les seves dependències en sensibilitat per a diferents freqüències i angle. Tenen un soroll intrínsec molt baix ~ -120 dB re V2/Hz (~ = Sea State 1) i són bastant estables en variar la pressió, és a dir, amb la profunditat. Per simplicitat i a causa de les limitacions per la seva integració en els detectors, s'ha decidit d'utilitzar el sistema només com a emissor i la funcionalitat com a receptor serà testada successivament en altres configuracions. Els canvis aportats per a la integració en els diferents detectors destaquen que el sistema és molt versàtil i capaç d'adaptar-se a les diferents condicions. El sistema té baixa potència de consum i és capaç d'obtenir una potència de transmissió major que 170 dB re 1µPa @ 1 m que combinat amb tècniques de processament del senyal permetria arribar a les llargues distàncies implicades en els telescopis de neutrins.
En conclusió, el sistema s'ha integrat positivament en els telescopis de neutrins ANTARES i NEMO i, després de la seva validació in situ, serà implementat a configuració final del detector KM3NeT. A més, es remarca que el sistema proposat és compatible amb les diferents opcions d’hidròfons proposats per KM3NeT, i és versàtil, amb la qual cosa podria ser utilitzat també en l'estudi de la detecció de neutrins o estudis de monitorització acústica al mar. Així mateix, el sistema (amb algunes modificacions) podría ser utilitzat en altres sistemes de posicionament acústic o sistemes d'emissió-recepció, autònoms o combinats amb altres sistemes marins, on la localització dels sensors és clau. En aquest sentit, l'experiència guanyada a través d'aquesta investigació pot ser de gran interés per a altres possibles aplicacions.

Agraïments.
Aquest treball ha estat finançat pel Ministeri de Ciència i Innovació (Govern espanyol), projectes referència FPA2009-13.983-C02-02, ACI2009-1067; i el sisé i seté Programa Marc Europeu, Contract no. DS 011937 i Grant no. 212525, respectivament.