Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 591-593

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия для исследований в области физики частиц и астрофизики активно развиваются черенковские водные нейтринные телескопы, такие как IceCube, Baikal-GVD и KM3Net. Основным детектирующим элементом нейтринных телескопов являются оптические модули, причем возможности телескопа возрастают, если оптический модуль имеет изотропную чувствительность в 4π-телесном угле. Такой модуль должен состоять из нескольких разнонаправленных фотоэлектронных умножителей. Впервые идея квазисферического модуля была предложена в 1979 году на 16-й международной конференции по космическим лучам (ICRC) [1]. Позже эта идея была реализована при создании квазисферического модуля из 6 ФЭУ – базового элемента черенковского водного детектора НЕВОД [2].

Одной из важных экспериментальных проблем нейтринных телескопов является калибровка оптических модулей различных систем в одинаковых условиях. Такая калибровка может быть проведена на экспериментальном комплексе НЕВОД, установки которого позволяют выделять треки одиночных околовертикальных и окологоризонтальных мюонов, а также регистрировать события с большими энерговыделениями и проводить исследования отклика тестируемого оптического модуля на эти события [3]. На проведение такой калибровки получен патент на изобретение [4].

В 2021 г. в объеме детектора НЕВОД планируется провести калибровку нового оптического модуля mDOM (multi-PMT Digital Optical Module), разрабатываемого в Университете г. Мюнстер (Германия) для развития Нейтринной обсерватории IceCube [5]. Модуль mDOM состоит из 24 трехдюймовых ФЭУ, размещенных в едином корпусе. На основе этих модулей планируется создать систему IceCube-Upgrade, отличающуюся от основной части детектора IceCube более низким (несколько ГэВ) порогом при регистрации нейтринных событий.

Для отработки методики калибровки в объем бассейна был помещен прототип оптического модуля с фотоумножителем Hamamatsu R877. Данный тип ФЭУ никогда ранее не использовался для регистрации черенковского излучения в воде.

Цель работы – реализовать на практике схему измерения и сравнения характеристик оптических модулей нейтринных телескопов, предложенную в патенте на изобретение RU 2726265, и провести измерения отклика прототипа оптического модуля с ФЭУ Hamamatsu R877 на черенковское излучение в воде от одиночных мюонов и от событий с большим энерговыделением.

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ С ФЭУ HAMAMATSU R877

С 18 августа по 23 сентября 2020 г. были проведены измерительные серии по исследованию характеристик отклика прототипа оптического модуля с фотоумножителем Hamamatsu R877. При тестировании проводилось измерение отклика на одиночные околовертикальные и окологоризонтальные мюоны. Околовертикальные мюоны отбирались системой калибровочных телескопов [6]. На рис. 1 представлен амплитудный спектр откликов на мюоны со средней энергией 4 ГэВ, выделенные вертикальным телескопом, ось которого параллельна плоскости фотокатода ФЭУ и находится на расстоянии 1 м от оси оптического модуля. На том же рисунке представлен средний спектр для 150 фотоумножителей ФЭУ-200 детектора НЕВОД, калибруемых в тех же условиях. Коэффициенты усиления динодных систем ФЭУ Hamamatsu R877 и ФЭУ-200 приблизительно равны между собой, но ФЭУ R877 имеет более высокую квантовую чувствительность. Поэтому, несмотря на то, что ФЭУ Hamamatsu R877 имеет меньший фотокатод по сравнению с ФЭУ-200 (внешние диаметры колб составляют 13 и 17 см, диаметры активных зон 11 и 15 см соответственно), измеренные спектры близки между собой. Эффективность регистрации телескопных событий для ФЭУ R877 составила 92.7 ± 0.5%, для ФЭУ-200 – 92.15 ± 0.05%; средняя амплитуда для ФЭУ R877 равна 34.9 ± 0.5 кода АЦП, а для ФЭУ‑200 – 36.93 ± ± 0.04 кода АЦП (4 кода АЦП соответствуют отклику ФЭУ величиной 1 фотоэлектрон).

Рис. 1.

Спектр отклика ФЭУ на одиночные околовертикальные мюоны, выделенные телескопом; 1 – ФЭУ-200, 2 – ФЭУ Hamamatsu R877.

Расположенные вокруг бассейна ЧВД НЕВОД супермодули координатно-трекового детектора ДЕКОР [7] позволяют с высокой точностью восстанавливать треки окологоризонтальных мюонов со средними энергиями 70–100 ГэВ, проходящих на различных расстояниях от оптического модуля. Зависимости средних откликов от расстояния, полученные по ~16 000 событиям, приведены на рис. 2. Зависимость для ФЭУ-200 является усредненной по большому количеству ФЭУ, в то время как зависимость для ФЭУ Hamamatsu R877 измерена только для одного оптического модуля, для которого не было событий с треками на расстояниях менее 1 м, кроме того, на расстояниях от 5 до 7 м было зарегистрировано всего 28 мюонов, черенковское излучение от которых частично затенялось оптическими модулями пространственной решетки ЧВД НЕВОД, что объясняет резкое уменьшение средней амплитуды на расстояниях 5.25 и 6.75 м). Таким образом, сравнивать зависимости среднего отклика можно на расстояниях от 1 до 5 м, где они близки друг к другу.

Рис. 2.

Зависимость среднего отклика ФЭУ от расстояния до окологоризонтального мюона; 1 – ФЭУ-200, 2 – ФЭУ Hamamatsu R877.

В триггерной системе черенковского водного детектора НЕВОД предусмотрен специальный триггерный сигнал “60c” (c – coincidence), вырабатываемый в том случае, когда в детекторе сработало не менее 60 оптических модулей, причем в каждом из них должно сработать не менее двух ФЭУ. Триггерный сигнал “60c” используется для анализа событий с большим энерговыделением, связанным с попаданием в бассейн стволов ШАЛ [8], прохождением через детектор группы мюонов [9] или каскадных ливней с энергиями более 10 ГэВ, рожденных адронами или одиночными мюонами [10].

На рис. 3 представлены спектры откликов ФЭУ-200 и ФЭУ Hamamatsu R877 на события с большими энерговыделениями в воде. Использование двухдинодного съема сигналов позволяет достичь широкого динамического диапазона регистрируемых сигналов. Как можно видеть, спектры откликов ФЭУ подобны и на больших амплитудах близки к степенной зависимости с дифференциальным показателем (γ + 1) = 2.4, что может свидетельствовать о регистрации событий ШАЛ с примесью других событий с большим энерговыделением (групп мюонов и каскадных ливней).

Рис. 3.

Спектр откликов ФЭУ на события с большим энерговыделением в воде: 1 – ФЭУ-200, 2 – ФЭУ Hamamatsu R877.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В экспериментальном комплексе НЕВОД реализована схема измерения и сравнения характеристик оптических модулей нейтринных телескопов, предложенная в патенте на изобретение RU 2726265. Впервые измерены отклики прототипа оптического модуля с ФЭУ Hamamatsu R877 на черенковское излучение в воде от одиночных мюонов и от событий с большим энерговыделением, которые оказались близкими к откликам оптического модуля с ФЭУ-200. В 2021 г. в ЧВД НЕВОД планируется провести калибровку оптического модуля mDOM для нейтринного телескопа IceCube-Upgrade.

Работа выполнена на уникальной научной установке “Экспериментальный комплекс НЕВОД” при поддержке грантом Президента РФ МК-3444.2019.2.