MSU neutrino group activity in neutrino telescope projects MSU neutrino group activity in neutrino telescope projects

Neutrino and registration of them S = ½ S = ½ Reactions of weak interaction Reactions of weak interaction Small cross section of interaction Small cross section of interaction Neutrinos can provide information about hidden objects in the Universe Neutrinos can provide information about hidden objects in the Universe Difficulties with registration Difficulties with registration

High-energy protons neutrinos Deviation of low energy protons High-energy gamma rays I. Active galactic nuclei and Gamma-ray bursts (GRB)- are extremely powerful sources of particles and radiation in the Universe II. Protons are deviated by powerful electromagnetic fields (E<10 19 eV) of galaxies and interact with sources of electromagnetic fields III. Gamma rays interact with a cosmic background ( ɣ + ɣ ↔ e + e); they are absorbed in the interstellar space IV. Only neutrinos can penetrate from the most distant part of the Universe; pass cosmological distance; their direction corresponds to the direction to the source

Detection principle The main reactions Big energies=> we can assume that trajectories of the initial protons and final particles agree with accuracy => We can define the location of the source in the space by tracks of neutrinos

Current situation ANTARES (0.09 km^3) Toulon ANTARES (0.09 km^3) Toulon IceCube (1 куб.км), South Pole IceCube (1 куб.км), South Pole Baikal telescope (0.03 km^3) Baikal, Russia Baikal telescope (0.03 km^3) Baikal, Russia NEMO  KM3Net (1.2 km^3) Capo Passero NEMO  KM3Net (1.2 km^3) Capo Passero

The main directions of current activities of the MSU scientific group in Mediterranean neutrino projects Development and creation of optical modules Development and creation of optical modules Modelling and optimization of configuration of neutrino telescopes Modelling and optimization of configuration of neutrino telescopes Creation of filters of bioluminescence Creation of filters of bioluminescence Development of criteria for the reliability of events Development of criteria for the reliability of events Analysis of experimental data (ANTARES) Analysis of experimental data (ANTARES) Development of algorithm for the search of supernova Development of algorithm for the search of supernova Neutrino acoustic (KM3Net) Neutrino acoustic (KM3Net)

Current research related to neutrino physics Flux of atmospheric muons and neutrino Flux of atmospheric muons and neutrino Neutrino oscillations Neutrino oscillations Supernova remnants Supernova remnants Periodic sources Periodic sources - microquasars (о - microquasars (оne of participants is a black hole or a neutron star) - pulsars (spinning neutron star) active galactic nuclei (black holes) active galactic nuclei (black holes) Gamma-ray bursts (merging of double stars, merging of the pair neutron star - black hole, collapse of the star) Gamma-ray bursts (merging of double stars, merging of the pair neutron star - black hole, collapse of the star)

Flux of cosmic neutrino; limits of neutrino flux Flux of cosmic neutrino; limits of neutrino flux Ice Cube: lower threshold of registration > PeV for the Southern Hemisphere ANTARES: the lower limit >Tev (important for the galactic sources) Пунктир: Айскуб(IC22) dotted line (IceCube)

The spectrum of neutrinos from cosmic sources Восстановление энергии нейтрино. Сравнение с моделями атмосферного фона. 4 года данных (Reconstruction of energy of neutrinos. Comparisons with models of atmospheric background) Поиск потока нейтрино высоких энергий (E>30 ТэВ/TeV) (Search for flux of high-energy neutrino) → Не обнаружено значительного отличия от фона (significant differences from the background were not found) Улучшены результаты, опубликованные в PLB 696 (2011) 16 Results were improved and published in the PLB 696 (2011) 16

~70 m 12 lines (about 900 PMTs) 25 storeys / line 3 PMTs/storey 350 m 100 m 14.5 m Junction box Interlink cables 40 km to shore Horizontal layout Sea bed ~ m a storey ANTARES detector

Structure of the detector

Cherenkov method of neutrino registration мюон ~5000 ФЭУ neutrino Atmospheric muon Глубина (depth) >3000м I. Нейтрино, идущие из дальнего космоса, пронизывают Землю, взаимодействуя с веществом II. Взаимодействуя, нейтрино оставляет после себя заряженный лептон III. Мюоны от взаимодействия  излучают черенковское излучение Reconstruction of the muon track by the time and position of the activated PMT Дно Seabed Natural water Земля защищает от атмосферных мюонов. Восходящие мюоны только от нейтрино (космические, атмосферные) Interaction of neutrino in the Earth’s crust (заряж. ток) Source of the high- energy neutrino Registration of Cherenkov light Neutrino passes through the Earth

Е.В.Широков 22 ноября 2013 г. Учёный Совет НИИЯФ и ОЯФ

Distribution of the ratios of rates of muons for experimental data и Monte-Carlo modelling data; fit by Gauss function (Antares)

Atmospheric muon veto cosmic neutrinos atmospheric muons R 2 [10 3 m 2 ] z [m] vertex cut detector volume 1)All muons which are flying from the atmosphere – background muons 2)The source of muons, which are flying through the Earth, can be neutrinos, but only that neutrinos, which are from beyond Earth 3)Atmospheric muons cannot fly through the Earth (small energy)

Signal / Noise BDT (topology of event)  events / 6 months atmospheric muons atmospheric neutrinos (tracks) atmospheric neutrinos (showers) cosmic neutrinos (tracks) cosmic neutrinos (showers)

Прототипы башень Prototypes of towers НЕМО (NEMO) Фаза-I (Phase-I– минибашня (4 этажа) возле порта Катании; small tower (4 floors) near the port of Catania НЕМО (NEMO) Фаза-I (Phase-I ) – минибашня (4 этажа) возле порта Катании; small tower (4 floors) near the port of Catania НЕМО Фаза-II (Phase-II) – башня (8 этажей) Capo passero (3500 м); Tower (8 floors) Capo passero (3500 m) НЕМО Фаза-II (Phase-II) – башня (8 этажей) Capo passero (3500 м); Tower (8 floors) Capo passero (3500 m) KM3NeT Фаза 1.5 KM3NeT Фаза 1.5 –НЕМО Фаза-III (Phase-III) – 8 башень по 14 этажей, Capopassero; 8 towers with 14 floors in each tower, Capopassero –24 струны с МультиФЭУ (24 strings with MultiPMT)

НЕМО Фаза-I (NEMO Phase-I) Установка рядом с портом Катании (installation near to the port of Catania) Установка рядом с портом Катании (installation near to the port of Catania) Проверка всех ключевых элементов конструкции (сheck all structural elements) Проверка всех ключевых элементов конструкции (сheck all structural elements) Проверка раскрытия башни (Check the opening of the tower) Проверка раскрытия башни (Check the opening of the tower)

НЕМО Фаза-II (NEMO Phase- II) установка на глубине 3500 м (installation at a depth of 3500 m) установка на глубине 3500 м (installation at a depth of 3500 m) более года работы (more than a year of work) более года работы (more than a year of work)

НЕМО Фаза-III (NEMO Phase-III) Установка соединительной коробки и одной струны (installation of the junction box and one string ) Установка соединительной коробки и одной струны (installation of the junction box and one string ) Доведение конфигурации до целого блока (8 струн по 14 этажей по 6 ФЭУ 10’’) bringing up the configuration to the whole block (8 strings with 14 floors with 6 PMT 10 '') Доведение конфигурации до целого блока (8 струн по 14 этажей по 6 ФЭУ 10’’) bringing up the configuration to the whole block (8 strings with 14 floors with 6 PMT 10 '')

KM3Net project Предполагаемые сроки сооружения (time of developing) – гг. Предполагаемые сроки сооружения (time of developing) – гг. Предполагаемый объём – 1.2 куб.км (volume 1.2 km^3) Предполагаемый объём – 1.2 куб.км (volume 1.2 km^3) Nemo Capo Passero, Italy m

KM3NeT Архитектура architecture нейтринный телескоп neutrino telescope береговая станция shore station удалённый доступ к данным удалённый контроль distance control onoff компьютерный центр computer center Distance access to data

KM3NeT Фаза башень 8 towers 14 этажей в башне 14 floors in the tower 8 м длина этажа length of the floor equals 8 m height of the floor 20 m общая. выс. total height. ~ 450 m ~ 450 m 6 ОМ+ 2 гидрофона/этаж; 6 OM + 2 hydrophone / floor ~ 100 м между башнями ; ~ 100 m between towers 24 струны 24 strings 20 Оптических модулей на струне (20 optical modules on a string ) Оптический модуль (мульти- ФЭУ) Optical module (multi-PMT) ~ 600 m ‒ 31 x 3” ФЭУ 31 x 3“ PMT ‒LED & акуст. пьезо LED & acust. piezo ‒FPGA контроль и обработка данных FPGA control and data processing

Установка installation Reusable coil Disclosure after connecting on the seabed PMT Key features: – Timing ≤ 4.5 ns (FWHM) – QE ≥ 25-30% – collection efficiency ≥ 90% – photon counting purity 100% (by hits) (by hits) – price/cm 2 ≤ 10” PMT ETEL ETEL D792Hamamatsu R12199 HZC XP53B20

The main results of MSU sсientific group in the Mediterranean sea neutrino projects: - были разработаны различные прототипы фотоумножителей, которые могут применятся для работы в составе глубоководных телескопов. (various prototypes of photomultipliers have been developed, which can be applied for the work in deep-sea telescopes) - были разработаны различные прототипы фотоумножителей, которые могут применятся для работы в составе глубоководных телескопов. (various prototypes of photomultipliers have been developed, which can be applied for the work in deep-sea telescopes) - решена проблемы биолюминисценции, свойственной детекторам, работающим в морской воде. В ходе проведённой работы удалось успешно создать несколько фильтров биолюминисценции, что позволило существенно ускорить расшифровку получаемых сигналов (the problem of bioluminescence was fixed; during the process of this work multiple bioluminescence filters were successfully created, which will significantly speed up the decoding of received signals. - решена проблемы биолюминисценции, свойственной детекторам, работающим в морской воде. В ходе проведённой работы удалось успешно создать несколько фильтров биолюминисценции, что позволило существенно ускорить расшифровку получаемых сигналов (the problem of bioluminescence was fixed; during the process of this work multiple bioluminescence filters were successfully created, which will significantly speed up the decoding of received signals. -разработан новый алгоритм поиска сверхновых, используемый для возможного обнаружения данного типа астрофизических объектов, являющихся источниками космических нейтрино. Данный алгоритм существенно улучшает так называемый «коэффициент качества» обработки информации при регистрации нейтринных потоков от возможных вспышек (new algorithm for finding supernovae has been developed; it is used to detect this type of possible astrophysical objects; they are sources of cosmic neutrinos. This algorithm significantly improves a so-called "quality factor" of information processing in registration of neutrino fluxes from possible outbreaks) -разработан новый алгоритм поиска сверхновых, используемый для возможного обнаружения данного типа астрофизических объектов, являющихся источниками космических нейтрино. Данный алгоритм существенно улучшает так называемый «коэффициент качества» обработки информации при регистрации нейтринных потоков от возможных вспышек (new algorithm for finding supernovae has been developed; it is used to detect this type of possible astrophysical objects; they are sources of cosmic neutrinos. This algorithm significantly improves a so-called "quality factor" of information processing in registration of neutrino fluxes from possible outbreaks) -выполнена работа по моделированию различных конфигураций оптических модулей для сооружаемого нейтринного телескопа с объёмом свыше 1 км3. Подобное моделирование позволяет не только повысить эффективность детектора, но и уменьшить затраты на его сооружение (work on modeling of different configurations of optical modules has been processed. This modeling allows not only to improve the efficiency of the detector, but also to reduce the cost of its construction) -выполнена работа по моделированию различных конфигураций оптических модулей для сооружаемого нейтринного телескопа с объёмом свыше 1 км3. Подобное моделирование позволяет не только повысить эффективность детектора, но и уменьшить затраты на его сооружение (work on modeling of different configurations of optical modules has been processed. This modeling allows not only to improve the efficiency of the detector, but also to reduce the cost of its construction) - выполнен анализ большого количества экспериментальных данных от детектора ANTARES за период гг; опробованы несколько различных критериев отбора событий для анализа данных; начаты работы по возможному гидроакустическому обнаружению астрофизических нейтрино (the analysis of a large number of experimental data from the detector ANTARES for the period has been done; we tested a number of different criteria for the selection of events for analysis; started work on a possible acoustic detection of astrophysical neutrinos) - выполнен анализ большого количества экспериментальных данных от детектора ANTARES за период гг; опробованы несколько различных критериев отбора событий для анализа данных; начаты работы по возможному гидроакустическому обнаружению астрофизических нейтрино (the analysis of a large number of experimental data from the detector ANTARES for the period has been done; we tested a number of different criteria for the selection of events for analysis; started work on a possible acoustic detection of astrophysical neutrinos)

Thank you for your attention