Positioning System and Acoustic Studies for the KM3NeT deep-sea neutrino telescope

Abstract

[ES] Los neutrinos que viajan por el Universo sin apenas alterar su trayectoria. Esto quiere decir que, de ser detectados recorriendo su camino, se puede saber de donde provienen. Sin embargo, a pesar de ser la partícula más abundante del espacio descubierta hasta ahora, al no poseer carga eléctrica, presenta una baja probabilidad de interacción, necesaria para evidenciar su presencia. Con todo lo anterior, dadas las posibilidades de evidenciar la presencia de un neutrino, se necesita tener enormes volúmenes controlados por sensores capaces de detectarlos. En el caso de que los neutrinos interactúen en un fluido como el agua o el hielo, se pueden proporcionar partículas cargadas como el muon, que viajan a mayor velocidad que la luz, produciendo una radiación llamada luz de Cherenkov. Es esta luz la que los detectores de neutrinos submarinos pretenden detectar, por ello se instalan sensores ópticos en forma de matriz tridimensional.

KM3NeT es un detector de neutrinos perteneciente a la nueva generación de este tipo de telescopios submarinos y diseñado para albergar un kilómetro cúbico. Actualmente, se encuentra en fase de construcción en las profundidades del Mar Mediterráneo. Se compone de dos nodos detectores: ARCA que se sitúa a 100 km de la costa de Portopalo di Capo Passero a 3400 m de profundidad, y ORCA a 40 km de la costa de Toulon sumergido a 2400 m. Las Unidades de Detección (DU) usadas se componen de una base que las ancla al lecho marino, 18 Módulos Ópticos Digitales (DOM) sujetos a lo largo de un par de cables que unen la base con una boya. Así, se tiene una DU fija en el fondo del mar, erguida en posición vertical (dada la flotabilidad de sus elementos), pero susceptible a las corrientes marinas. Así que, para ser capaces de reconstruir la trayectoria de un muon detectado, es necesario tener clara la posición y orientación de cada DOM. Por ello, KM3NeT cuenta con un Sistema de Posicionamiento Acústico (APS) y un Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS).

Por un lado, el APS tiene receptores acústicos instalados en cada DOM (sensores piezoeléctricos) y en la base de cada DU (hidrófonos). Además, instala Balizas Acústicas (AB) en posiciones conocidas que emiten señales particulares, que se usan para que el Filtro de Datos Acústico registre su detección en cada receptor. Con el registro de tres o más emisiones pertenecientes a diferentes AB, se puede estimar la posición de cada sensor piezoeléctrico. Por otro lado, el AHRS indica el valor de la guiñada, cabeceo y balanceo, facilitando la orientación del DOM. Con una combinación de APS y AHRS (o de forma independiente), y haciendo uso de un Modelo Mecánico se puede reconstruir la forma de la DU. Así, se conoce la situación de cada DOM con una mayor exactitud. Los AB se caracterizan en laboratorio gracias a un proceso que se ha estandarizado, tanto en realización de medidas como en su posterior análisis. Además, se presenta una posible ubicación para instalarlos, asegurando una buena recepción en todos los DOM.

Por último, se pretende aprovechar los receptores del APS en KM3NeT para la posible detección acústica de neutrinos. Existen teorías de que al producirse la interacción de un neutrino ultra-energético se propaga una peculiar señal termo-acústica en forma de Pulso Bipolar (BP), de directividad estrecha para las frecuencias que abarca. Es por esto que se ha diseñado una calibración completa del detector capaz de determinar si el APS está preparado para la posible captura de este tipo de señales. Por ello, se diseña, desarrolla y prueba un algoritmo capaz de seleccionar posibles candidatos de BP. Este algoritmo usa la técnica del espectrograma para analizar la energía, la frecuencia y la duración de cada pulso. Por ahora se han analizado 2.9 días de datos usando tres hidrófonos en ORCA y se han obtenido resultados prometedores para seguir esta línea de investigación, proponiéndose un sistema de alerta para registrar estos eventos de interés.

[CA] Els neutrins són unes partícules subatòmiques que viatgen per l'Univers sense alterar la seva trajectòria. Això significa que, de ser detectats recorrent el seu camí, es pot estudiar la posició del seu origen. Malgrat ser la partícula més abundant de l'espai fins ara descoberta, com no posseeix càrrega elèctrica i sols interacciona dèbilment, presenta molt baixa probabilitat d'interacció, necessària per a evidenciar la seva presència. Llavors, per evidenciar la presència d'un neutrí, es necessita tenir enormes volums controlats per sensors capaços de detectar-los. En el cas d'interactuar en un fluid com l'aigua o el gel, es pot proporcionar un muó (o altres partícules carregades) que viatja a major velocitat que la llum, produint una radiació anomenada llum de Cherenkov. És aquesta llum la que els detectors de neutrins submarins pretenen detectar, per això instal·len sensors òptics en forma de matriu tridimensional.

KM3NeT és un detector de neutrins que pertany a la nova generació d'aquest tipus de telescopis submarins i que està dissenyat per a albergar un quilòmetre cúbic. Actualment, es troba en fase de construcció, en les profunditats de la Mar Mediterrània. Es compon de dos nodes detectors: ARCA que es situa a 100 km de la costa de Portopalo di Capo Passero a 3400 m de profunditat, i ORCA a 40 km de la costa de Toulon submergit a 2400 m. Les Unitats de Detecció (DU) utilitzades es componen d'una base que les ancora al fons marí, 18 Mòduls Òptics Digitals (DOM) subjectes al llarg d'un parell de cables que uneixen la base amb una boia. Així, es té una DU fixa en el fons de la mar, alçada en posició vertical (donada la flotabilitat dels seus elements), però susceptible als corrents marins. Així que, per a ser capaços de reconstruir la trajectòria d'un muó detectat, és necessari tenir clara la posició i orientació de cada DOM. Per això, KM3NeT compta amb un Sistema de Posicionament Acústic (APS) i un Sistema de Referència d'Actitud i Rumb (AHRS).

D'una banda, l'APS té receptors acústics instal·lats en cada DOM (sensors piezoelèctrics) i en la base de cada DU (hidròfons). A part, instal·la Balises Acústiques (AB) en posicions conegudes que emeten senyals particulars, que s'utilitzen perquè el Filtre de Dades Acústic registra la seva detecció en cada receptor. Amb el registre de tres o més emissions pertanyents a diferents AB, es pot estimar la posició de cada sensor piezoelèctric. D'altra banda, el AHRS indica el valor de l'ullet, cabotejo i balanceig, facilitant l'orientació del DOM. Amb una combinació de APS i AHRS (o de manera independent), i fent ús d'un Model Mecànic es pot reconstruir la forma de la DU. Així es coneix la situació de cada DOM amb una major exactitud. Pel que fa als ABs, cadascun es caracteritza en el laboratori gràcies a un procés que s'ha estandarditzat, tant en realització de mesures com en la seva posterior anàlisi. A més, es presenta una possible ubicació per a instal·lar-los, assegurant una bona recepció en tots els DOM.

Finalment, es pretén aprofitar els receptors del APS en KM3NeT per a la possible detecció acústica de neutrins. Existeixen teories que expliquen que en la interacció d'un neutrí ultraenergètic es propaga un peculiar senyal termo-acústica en forma de Pols Bipolar (BP), de directivitat estreta per a les freqüències que té. Així que s'ha dissenyat un calibratge complet del detector capaç de determinar si el APS està preparat per a la possible captura d'aquesta mena de senyals. Per això, es dissenya, desenvolupa i prova un algoritme capaç de seleccionar possibles candidats de BP. Aquest algoritme usa la tècnica de l'espectrograma per analitzar l'energia, la freqüència i la durada de cada pols. Ara com ara s'han analitzat 2.9 dies de dades usant tres hidròfons en ORCA i s'han obtingut resultats prometedors per a seguir aquesta línia de recerca, proposant un sistema d'alerta per a registrar events d'interès.

[EN] Neutrinos are subatomic particles that travel through the Universe with tiny or no change in their trajectory. This means that, if they are detected traveling along their way, the position of their origin can be studied. Despite being the most abundant particle in space so far discovered, as it has no electrical charge and it only interacts, it has a very low probability of interaction, which is necessary to prove its presence. Given the possibilities of evidencing the presence of a neutrino, it is necessary to have huge volumes controlled by sensors capable of detecting them. In the case of interaction in a fluid such as water or ice with sufficient energy, a muon (or other charged particles), which travels faster than the speed of light, may be generated producing radiation called Cherenkov light. This is the light that underwater neutrino telescopes aim to detect, so they have installed optical sensors in the form of a three-dimensional array.

KM3NeT is a neutrino detector belonging to the new generation of underwater telescopes designed to hold one cubic kilometer. It is currently under construction in the depths of the Mediterranean Sea. It consists of two detector nodes: ARCA, which is located 100 km off the coast of Portopalo di Capo Passero at a depth of 3400 m, and ORCA, 40 km off the coast of Toulon, submerged at a depth of 2400 m. The Detection Units (DUs) used are composed of a base that anchors them to the sea floor, 18 Digital Optical Modules (DOMs) attached along a pair of cables linking the base to a top buoy. Thus, it has a fixed DU on the seabed, standing in a vertical position (given the buoyancy of its elements), but susceptible to the sea currents. In order to be able to reconstruct the trajectory of a detected muon, it is necessary to know the position and orientation of each DOM. Therefore, KM3NeT has an Acoustic Positioning System (APS) and an Attitude and Heading Reference System (AHRS).

On the one hand, the APS has acoustic receivers installed in each DOM (piezoceramic sensors) and at the base of each DU (hydrophones). On the other hand, there are Acoustic Beacons (ABs) at known positions that emit specific signals, which are used for the Acoustic Data Filter to register their detection at each receiver. By recording three or more emissions belonging to different ABs, the position of each piezoceramic sensor can be estimated. On the other hand, the AHRS indicates the value of yaw, pitch, and roll, suggesting the orientation of the DOM. With a combination of APS and AHRS (or independently), and making use of a Mechanical Model, the shape of the DU can be reconstructed. In this way, the situation of each DOM is known with higher accuracy. As far as the ABs are concerned, each one has been characterized in the laboratory thanks to a process that has been standardized, both in terms of measurements and subsequent analysis. In addition, a possible location for the installation of ABs is presented, ensuring good reception in all DOMs.

Finally, it is intended to use the APS receivers in KM3NeT for the possible acoustic detection of neutrinos. There are theories that explain that when the interaction of an Ultra-High-Energy neutrino is produced, a peculiar thermoacoustic signal as a Bipolar Pulse (BP), with a narrow angle directivity is propagated. Thus, a complete calibration of the detector has been designed to determine whether the APS is ready for the possible capture of this type of signal. Moreover, an algorithm capable of selecting possible BP candidates is designed, developed, and tested. So far, 2.9 days of data have been analyzed using three hydrophones in ORCA and promising results have been obtained to pursue this line of research, proposing an alert system (trigger) to register the candidate events