Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
John Carr
Centre de Physique des Particules de Marseille, Franciaország
A klasszikus csillagászati megfigyelések köre a Naphoz hasonló, látható fényt kibocsátó objektumokra korlátozódik. Az elmúlt században a teljes elektromágneses spektrumra, a rádióhullámoktól a gamma-sugárzásig kiterjesztették a megfigyeléseket. Ez az új típusú, széles hullámhossztartományon működő csillagászat sok, korábban ismeretlen csillagászati jelenséget fedezett fel, például aktív galaxismagokat és gamma-kitöréseket. A neutrínócsillagászat gondolata - a neutrínóra a fotont helyettesítő hírnökként tekintve - még tovább kiterjeszti a Világegyetem objektumainak megfigyelését. Ezen új kutatási terület 20 éve indult a BAJKAL (Szibéria) és az AMANDA (Antarktisz) kísérletekkel. Nemrég a Földközi-tengeren megépítették és elkezdték működtetni az ANTARES neutrínótávcsövet. Jelen munkában az ANTARES első neutrínómegfigyelési eredményeit, továbbá a kísérlet mélytengeri környezetéből adódó egyedi kutatásokat mutatjuk be.
Az ANTARES detektorrendszert egy multidiszciplináris mélytengeri obszervatórium és a hozzá kapcsolódó neutrínótávcső alkotja. A berendezés célja asztrorészecskefizikai kutatás, azon belül neutrínócsillagászat. A 2008 májusában elkészült távcső tizenkét horgonykábelből áll, amelyek fénydetektorokat tartanak. A tizenkét optikai detektorkábelen tengeri és földtudományi kutatóberendezéseket is elhelyeztek. Van egy tizenharmadik kábel is, ennek feladata a tengeri környezet folyamatos megfigyelése. Az ANTARES fontos jellemzője a fentieken kívül, hogy állandó nagy sávszélességű adatkapcsolata van a tengerparttal.
A mélytengeri megfigyelő állomás fejlesztése és megépítése sok évig tartott. Az első vizsgálatokat 1996- ban végezték el, ekkor különálló horgonykábeleket használtak. A parttal létesített állandó vezetékes adatkapcsolat 2002 novemberétől működött, és 2003-ban a horgonykábelek első prototípusait sikerült hosszabb időtartamra összekapcsolni a parttal. Később a detektor egyre több eleme elkészült, a berendezések 2003-tól oceanográfiai adatokat is szolgáltattak.
A kombinált neutrínó- és mélytengeri obszervatóriumnak a tudomány széles spektrumában lesz lehetősége, hogy nagy felfedezéseket tegyen. A neutrínó, mint a kozmosz távoli helyeinek hírnöke, egyedülálló tulajdonságai révén sokféle szempontból áttöréshez vezethet a Világegyetem megértésében. A látható fény tartományában működő hagyományos csillagászat leginkább a Naphoz hasonló csillagokat látja. A kiterjesztett, széles hullámhossztartományú csillagászat, amely rádióhullámoktól a gamma-sugarakig képes elektromágneses sugárzás észlelésére, sok új jelenséget fedezett fel: aktív galaxismagokat, gamma-kitöréseket és mikrokvazárokat. A neutrínótávcsövek továbbfejlesztik ezen újfajta csillagászat felfedezőképességét, és alapvető információval szolgálnak majd az ismert források természetét illetően. Ezen túl lehetővé teszik eddig ismeretlen források felfedezését, amelyekből a nagy anyagsűrűségű környezet hatására csak neutrínók tudnak kilépni.
A mélytengeri elhelyezés és a parttal létesített állandó kapcsolat segítségével folyamatosan, hosszú időn át lehet mérni a tenger paramétereit. Ilyen adatok jelenleg még nem állnak rendelkezésre, így az új mérések várhatóan felfedezéseket és innovációt eredményeznek a tengertudományok széles területein is.
Az ANTARES együttműködés 1996-ban kezdte a neutrínótávcső létrehozására irányuló kutatási és fejlesztési munkát. Az első feladat az automata horgonykábelek telepítése és működtetése volt, ezekkel már lehetett vizsgálni a víz és a környezet tulajdonságait az ANTARES helyszínén, amely a francia partoknál, Toulontól délkeletre található az északi szélesség 42° 48', keleti hosszúság 6° 10' ponton, ahogy az 1. ábra mutatja. A terület felmérése [2-4] során hatvannál is több kábelt telepítettek. Mindenhol alapos méréseket végeztek a környezetből jövő fénysugárzás (biolumineszcencia, biolerakódások, üledék és fényszóródás) erősségét illetően.
Az ANTARES első, a szárazföldi adatgyűjtő rendszerrel összekötött tesztkábelét 1999 novemberében telepítették, és "demonstrációs kábelnek" nevezték. Ez a kábel egy régi, a tengerfenéken futó France Telecom vezetéket használt, ami összekötötte a kábelt a marseille-i adatfelvevő állomással. A tesztkábelt Marseille közelében, egy speciális helyszínen, 1200 méter mélyen helyezték el. Néhány hónapig tartó működtetése során a rendszer koncepciójának helyességét vizsgálták, elsősorban az akusztikus pozicionáló rendszert, de hét optikai érzékelővel a kozmikus müonok észlelhetőségét is ellenőrizték.
A végleges detektor felépítése 2001-ben kezdődött, ennek első lépéseként egy új vezetéket telepítettek a végleges helyszín és a La Seyne-sur-Merben lévő parti állomás között. Ezt a vezetéket, amely jelenleg a fő elektro-optikai vezeték (Main Electro-Optical Cable, MEOC), 2001 novemberében helyezték el a tengerfenéken. Itt a vezeték végén kezdetben csak egy visszacsatoló volt. 2002 novemberében a vezeték végét felszínre hozták, csatlakoztatták a kapcsolódobozhoz (Junction Box, JB), majd újra telepítették a tengerben. Azóta az akkumulátorral üzemeltetett kapcsolódoboz a rendszer paramétereit folyamatosan méri és elküldi a parti mérőállomásra, a rendszer működése pedig immár évek óta tökéletes.
2003-ban a végleges technológiához nagyon hasonló prototípusokat teszteltek. 2002. november és 2003. március között két kábelt telepítettek, a tesztberendezéseket tartalmazó MIL kábelt és a PSL kábelt. Az utóbbi egy tizenöt optikai szenzort tartalmazó detektorkábel volt. Ezeket 2003. május és július között üzemeltették, és a kialakítás helyességét részben igazolták, másrészt néhány problémára is fény derült: az optikai átvitelben adatveszteséget észleltek és szivárgást találtak több helyen. Mindemellett a PSL négy hónapig mérte a beütések gyakoriságát az optikai detektorokban, és meghatározta a biolumineszcencia okozta háttérsugárzást. A MIL és PSL kábelekkel szerzett tapasztalat alapján néhány ponton megváltoztatták a detektorok felépítését. Ennek nyomán készült el a MILOM nevű kábel, amelyet 2005. március 18-án telepítettek a tengerbe, a parttal pedig április 12-én létesítettek kapcsolatot. E kábel több havi sikeres működtetéséről az [5] hivatkozásban olvashatunk. A végleges detektorkábeleket 2006. február és 2008. május között telepítették és csatlakoztatták. A telepítés a Castor hajó segítségével történt, a tengerfenéken elvégzett munkálatokban a Nautile tengeralattjáró és a francia nemzeti tengerészeti kutatóintézet (IFREMER) Victor nevű távirányítású járműve állt rendelkezésre. Az első detektorkábelt 2006. február 14-én telepítették, majd két hét múlva csatlakoztatták. A második kábel telepítésére 2006 októberében került sor. 2007 januárjában további három kábelt csatlakoztattak, majd még ötöt decemberben. A végleges konfiguráció az utolsó két kábel telepítésével lett teljes 2008 elején, a csatlakoztatás pedig 2009. május 29-én történt meg. A kábelek végleges tengeri elrendezését a 2. ábra mutatja.
 |
 |
A mélytengeri neutrínódetektorok a rendszeren áthaladó müonok Cserenkov-sugárzását észlelik. Ezek a müonok a neutrínó és a tengervíz vagy a tengerfenék szikláinak kölcsönhatásából keletkeznek. Ezért gömb alakú fotoelektron-sokszorozók, azaz optikai modulok mátrixát [6] helyezik el a tengerfenék közelében. A müon pályája a Cserenkov-fotonok beérkezésének idejéből és az optikai modulok helyéből rekonstruálható. Ezzel indirekt módon kereshetők a neutrínók a felfelé menő müonok kiválasztásával, ezeket a müonokat ugyanis az egész bolygót átszelő neutrínók hozták létre. A bejövő neutrínó iránya majdnem párhuzamos a keletkező müonéval, így 10 TeV feletti energiájú neutrínók esetén az irány meghatározásának pontossága eléri a 0,2° szöget. A méretéből és a fotoelektron-sokszorozók közötti távolságból adódóan az ANTARES által rekonstruálható neutrínók minimális energiája 20 GeV. Az effektív terület a neutrínó energiájának növelése esetén gyorsan emelkedik, PeV energiájú neutrínók esetén eléri az egy négyzetmétert. A neutrínók mélytengeri detektorokkal történő észlelésének elvét a 3. ábra mutatja.
A neutrínótávcső 12 kábelből áll, amelyek egyenként 480 m hosszúak. A tizenkét kábel hasonló felépítésű: a tengerfenékhez vannak rögzítve, a tetejükön lévő, szintetikus habból készült, a vízben lebegő bója pedig közel függőleges helyzetet biztosít számukra. Az elrendezésről készített fantáziarajzot a 4. ábra, egy kábel tipikus elemeit pedig az 5. ábra mutatja. Minden kábelen összesen 75 darab, emeletenként hármas kötegekbe rendezett optikai modul található. A tengerfenék a detektorrendszer helyszínén 2474 m mély, az optikai modulok 2000 m és 2400 m között helyezkednek el.
A kábel felett a bóják szabadon úsznak, így a kábelek a tengerárammal együtt mozognak. Ezen mozgások - a tengeráramok esetén tipikusnak mondható 5 cm/s sebesség mellett - néhány méteresek. Az optikai modulok helyzetét a kábeleken és a tengerfenéken elhelyezett akusztikus jeltovábbítók és jelfeldolgozók ellenőrzik, továbbá iránytűk és dőlésszögmérők is vannak minden emeleten. Ez a pozicionáló rendszer valós idejű helyzetmérést tesz lehetővé. Többnyire két percenként történik egy ilyen mérés, amelynek során minden optikai modul helyzete 10 cm pontossággal meghatározható.
 |
 |
Az ANTARES alapértelmezett működési módja során minden optikai modul esetén az egyharmad fotoelektronnak megfelelő szintet meghaladó jeleket és a hozzájuk tartozó időt továbbítja. Az időmérés referenciapontja egy központi órajel, amelyet minden elem felé továbbítanak. A jeleket a parton lévő számítógépfarmra küldi a rendszer, ami majd a müonoknak, vagy más, fényt létrehozó fizikai folyamatnak megfelelő beütési mintázatot keres. Az optikai modulok hármas csoportosítása lokális koincidenciafeltétel felállítását teszi lehetővé, megkönnyítve ezzel a mintázatkeresést. A front-end elektronika (amely a beérkező jeleket feldolgozza) lehetővé teszi a teljes jelalak vizsgálatát, 128 mintára bontva, amelyek egyenként 2 ns eltéréssel érkeznek be. Ez az elektronika kalibrációja során nyújt segítséget.
Az ANTARES tizenharmadik kábele egy műszerkábel, amelynek fő feladata a neutrínótávcső kalibrálása, de több tenger- és földtudományi mérőeszközt is tartalmaz. Ezt az IL07 jelű kábelt a fent említett, 2005. március és 2007. június között üzemelő MILOM kábelből alakították ki, és 2007 decembere óta működik.
A MILOM-on négy optikai modul volt, egy hármas modul a második emeleten és egy egyedüli modul a legfelső szinten. A kábelen három erős fényforrás is található, főként a modulok időzítésének kalibrációja céljából: egy lézer irányfény a kábel alján lévő csatlakozón (Bottom String Socket, BSS) és két optikai LED irányfény a legalsó és a legfelső emeleten. A kábel alakjának meghatározásához a MILOM minden emeletét ellátták két duplatengelyes dőlésszögmérővel és iránytűkkel. Ezen felül elhelyeztek két akusztikus pozicionáló modult is minden emeleten: egy adó-vevő modult (RxTx) jelátalakítóval a BSS-en, és egy hidrofonnal ellátott vevő modult (Rx) a legalsó emeleten.
A fent említett kalibrációs műszereken kívül (amelyek a neutrínótávcső céljait szolgálják) a MILOM több környezeti megfigyelésekre szolgáló berendezést is tartalmazott. Elhelyeztek rajta egy akusztikus Doppler- elvű áramlásprofil mérőt (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP) a mélytengeri áramlások irányának és intenzitásának mérésére; egy hangsebességmérőt (a lokális hangsebesség mérésére); egy műszert a tengervíz vezetőképességének és hőmérsékletének mérésére (Conductivity and Temperature Probe). A MILOM része volt továbbá egy átvitelmérő a víz fényelnyelésének vizsgálatára; egy hidrofon (Spy Hydrophone), amellyel a pozicionáló berendezések, a felület vagy biológiai források akusztikus aktivitását mérik; végül egy szélessávú szeizmométer, amelyet a tengerfenék üledékében helyeztek el, 50 méterre a MILOM-tól, és a területen mérhető szeizmikus aktivitást vizsgálja.
A neutrínótávcső fő célja a távoli kozmoszból érkező neutrínók észlelése. A 6. ábra egy felvett neutrínó eseményt mutat. A kísérletek távlati célja neutrínókat kibocsátó távoli csillagászati objektumok, például aktív galaxismagok vagy mikrokvazárok azonosítása. Ezek az objektumok az égbolt egy adott pontjáról jövő eseményként jelennek meg a kísérletben. A detektorok fotoelektron-sokszorozója a Föld felé fordul, mert a kísérlet a bolygót átszelő neutrínók azonosítására koncentrál. A 7. ábra a 2007 és 2008 során felvett sebesség (m/s) és rekonstruált neutrínóesemények szögeloszlását mutatja. A felfelé menő (a Földet átszelő) események többnyire neutrínókból származnak, míg a lefelé menő pályák leginkább a tengerbe a detektor mélységéig behatoló kozmikus müonokból adódnak. A felfelé menő események galaktikus koordinátarendszerben vett beérkezési irányát mutatja a 8. ábra. Jelen állás szerint az ANTARES által felvett események eloszlása konzisztensen magyarázható kizárólag a Föld légkörébe érkező kozmikus sugárzásból keletkező neutrínókkal és müonokkal.
A parttal vezetékes kapcsolatban álló mélytengeri megfigyelőállomás kivételes lehetőséget kínál a különféle tengertudományi területek számára. Az állandó összeköttetés eredményeként lehetséges az adatok valós idejű feldolgozása. A mélytengeri környezet megfigyelése mellett a valós idejű adatfelvétel lehetővé teszi az adatminőség és különféle átviteli paraméterek folyamatos ellenőrzését. Az ANTARES műszereinek többségét a fizikus és a tengertudós közösség is használja, de vannak külön oceanográfiai vagy biológiai kutatásokra kifejlesztett eszközök is. Kulcsfontosságú a tengertudományok számára az is, hogy a multidiszciplináris megfigyelőállomáson hosszú távú mérések is elvégezhetők. Az adatfelvételi paramétereket is folyamatosan állítani lehet, a tipikus mintavételi idő egy perc és fél óra között változik a használt eszköztől függően.
 |
 |
A 11. ábra a négyéves adatfelvételi periódus során mért áramlási sebességek egy sorozatát mutatja. Az áramlási irányok polárkoordináta-rendszerben vett eloszlását a 12. ábra mutatja. Az eloszlást a földrajzi helynél ábrázoltuk, így látható, hogy esetenként ellentétesre forduló, többnyire kelet-nyugati áramlást tapasztaltunk.
Többévnyi kutatás és fejlesztés után 2008. márciusban az ANTARES neutrínótávcső tervezése és megépítése befejeződött. A detektor különféle elemei több mint négy éven át megbízhatóan működtek, és mind a neutrínócsillagászat, mind a környezetkutatás számára rengeteg adat gyűlt össze. Az eredmények a hosszú időtartamra tervezett, akár állandó mélytengeri tudományos megfigyelőállomások jogosultságát bizonyítják.
______________________
A 2010. május 20-án tartott 8. Marx György Emlékelőadás szerkesztett változata. Fordította Csanád Máté.