文摘

盐存款可以用作自然电介质过程中宇宙中微子无线电探测器。这种探测器依靠的能力重建宇宙的初始特征测量无线电电场产生的中微子中微子的交互在盐的后续粒子淋浴。严格的传播介质的特性成为义务。所示,电场矢量的振幅衰减的传播几乎90%,100在一个典型的盐岩石体积。盐中的异构性问题也决定了最小的不确定性(估计为19%)和探测器的分辨率。

1。介绍

超高能量的中微子可以证明的理论上限从遥远的宇宙射线的能量来源,在宇宙大爆炸的场景中,起着重要的作用,也揭开宇宙的神秘加速器(脉冲星,活动星系核,等等)。在同一时间旅行undeflected通过干预磁场和相互作用很弱。这使得他们观察一个科学和技术的挑战。

天空宇宙中微子探测器图像使用几乎没有质量的叫做中微子的亚原子粒子的相互作用。中微子是弱相互作用粒子不能直接探测到。他们的性质推导出通过分析淋浴与原子核相互作用引起的介质。

一个检测方法提出了Askaryan [1]。他建议,如果一个粒子,包括中微子,交互在介质的体积,宽带电磁(EM)字段(包括无线电频率),可以测量,将生成。为了弥补小交互概率的中微子2),需要大量的检测材料,可以发现在自然介质卷,如地球两极的冰盖或自然盐穹顶。波产生的媒介应该透明,确保大传播距离。因此,冰可以作为光和无线电波探测介质(一个例子是冰立方探测器(3),使用光电倍增管测量电磁领域)和编撰无线电波。后者是斯坦福线性加速器测试无线电波合成高能粒子相互作用的岩盐检测(4]。

相关的一个关键问题用中微子无线电探测器在盐的能力重建宇宙中微子交互的特点的盐体积测量射电辐射导致他们的互动。检测可以使用数组(标准)执行无线电天线放置在水井:透明介质可用越大,天线之间的距离。产生的无线电波neutrino-induced淋浴穿过盐所以传播介质对测量结果产生巨大的影响和结果。大多数的媒介使用相对介电常数的属性可以被描述。为了达到最高的检测性能,天线应该远离圆顶的外围(包括其盖层)。

现有的光学中微子探测器在南极冰立方指出在检测和数据分析由于严重的问题,非理想的介质对波传播的影响。详细研究在南极冰川冰的性质已由阿曼达协作(5]。他们发现冰非常清楚在光学和近紫外区域但散射和吸收都是强烈依赖于深度。在每个间隔10米深度,有效的散射和吸收长度确定波长的函数。

在这项工作中,我们调查的可能性探测宇宙中微子盐通过测量和分析它们的交互产品:无线电波(6,7]。无线电波是Askaryan效应的结果(1]。在几个GHz宽带频谱峰值,但由于几个原因(衰减、温度依赖性等)我们决定选择一个工作频率为200 MHz (6]。作为非理想的波传播媒介在测量前,必须先有一个好的地球物理材料描述无线电波传播。Hapke已经说过,这个政权是不清楚8]。建议一个effective-medium理论应该应用于计算介电常数。

中可以量化的影响传输——参数包含所有传播效果(节中给出更多细节3)。传播应该估计因为数据分析的例子中,每个天线测量记录与传输和无线领域的产品产生互动。对于后者,模型(9,10将使用)。

实现中描述的方法之一是通过井下地球物理测井。该技术涉及到传感装置安装到钻孔记录可能解释为特定的岩石物理参数特征。地下矿山的地质测绘和地质工作日志的核心样本不足以使一个识别蒸发岩的内部结构(11]。

另一种方法来获取空间信息介电性能的变化是探地雷达。脉冲雷达发射偶极子天线的电磁脉冲为岩石和返回的信号包含反射引起的地下电磁阻抗之间的对比。阻抗的旅行时间反映了深度对比(12]。

同一issue-good地球物理材料描述无线电波propagation-has被其他类型的应用程序处理:定位埋公用事业(13- - - - - -15),检测埋地雷(16- - - - - -18),分析高速公路路面的地下,等等。虽然理论方法已报告(19,20.)和其他模型传播显然是罕见的,因为盐的异质性影响无线电波。第一个测试确定无线电信号的衰减长度在400和800 MHz样本中的“乌尔济切尼”盐丘Slanic Prahova,罗马尼亚,显示一个大偏离理想介质的情况(21]。“乌尔济切尼”盐矿将被认为是一个保守的情况。在我们的分析选择,因为我们已经安装了一个工作实验室,所以我们能获得不同的结果关于盐的纯洁性。

在下面我们调查和量化的介质对波传播的影响。节2我们简要回顾盐穹顶的地质属性,包括主要的异构性问题和其他因素会影响传播。在下一节中,自然产生的杂质,主要在盐丘异构性问题及其对无线电波传播的影响进行了分析。最后一部分总结了我们的结果。

2。盐矿地质属性

岩盐矿床是广泛分布在世界各地。盐积累在罗马尼亚是欧洲最大的,因此建设一个中微子探测器将是非常合理的。形成的盐底辟构造研究是中新世早期的年龄(22]。在下面,我们将只指我乌尔济切尼,在Slanic Prahova(罗马尼亚),特点是穹状折叠结构(图1)。

这个盐丘代表一个巨大的塞向上diapirically上升,因为它的低密度,进入上覆地层(22]。最初沉积盐沉积在几公里的深度。在静水压力下,低密度的塑料盐开始向上流动通过沉积物密度更大。盐流是通过断层控制的路口导致穹状结构。盐垢的形状取决于具体情况的侵位地质环境(“乌尔济切尼”圆顶透镜形状)(22]。

后(11),我们考虑四个基本异构内部结构的盐存款。

2.1。穹顶的异质性

穹状非均质性的主要特点是无水石膏和岩盐的混合物。深盐欠它们的颜色无水石膏的传播。盐和无水石膏的混合物可以发现在不同的比例在短的距离,这将导致极端的异质性。一般来说,硬石膏在盐丘的内容从1%到80%不等。

主要的穹状异构性问题的影响(表中列出1)是模拟介质的属性及其影响,提出了在23]。

2.2。沉积非均质性

在远古海洋的底部,层沉积物的沉积序列水平床。一个圆顶的一成不变的沉积构造是由一列各种床可分为功能的化学成分或面部发展(图2)[11]。厚沉积床被归类为相对均匀,非分散的、各向同性、线性介质。在这个模型中,我们忽略了层间的层次,因为他们不是一个盐底辟构造的共同特征。传输系数由于波传播从第一层到第三层(即波能量的分数达到第三层)是由(24] 在哪里是 与 作为一个测量介质2中的吸收;的高度是第二介质层的厚度,介质的介电常数是2吗入射角对正常(图2)。

的系数描述了在第一个界面反射。如果一个人认为不极化波 在哪里的比例是反映电场的振幅事件时一场向量是垂直的(指数吗)/平行(指数飞机)传播。反射系数是由(8] 在哪里折光指数的比值(折射率的介质被定义为介质的介电常数)的平方根和透射波的角度使正常的接口与第二介质。它可以计算使用折射的斯涅尔定律:

如果介电常数是一个复数,也会很复杂。一个复数的物理意义是透射波的相移。

沉积非均质性影响(传播分数从第一层到层)可以使用描述的模型评估(1)- (6)。如图2电磁辐射穿过第一层,只有一小部分进入第二层。提醒反映,可以看作是一种损失。为了证明损失的假设是合理的,电波传播的力量在层两个(粗箭头在图2)多次反射后驻留在图层1(虚线箭头在图2)计算。因为它是超过三个数量级较小的它可以忽略7]。

2.3。矿物的异质性

对矿物质的异质性,岩盐盐和盐钾之间的空间关系主要是重要的。的多矿物开发是一个复杂的性质,通常位于一个沉积盆地的边界。盐钾的发展在大多数情况下发生在岩盐的身体就像一个框架。

矿物异质性将不会进一步调查,由于缺乏实验调查。进行进一步的处理,多个样本应收集从不同的位置和化学分析。我们估计这个异质性(与外围地区的圆顶)可以被忽视的一个中微子探测器由于数据采集将只在中央部分的盐块。

2.4。结构异构性问题

蒸发岩层结构异构性问题是构造运动的产物在该地区地壳的沉积。

蒸发岩层的结构异构性问题可能发生显著的变化,由于个别层弹性的差异。例如,石膏、硬石膏、泥灰岩和其他人可能已经开发出一种明显的内部块状结构。帽是特定的岩石或其他类型的折叠结构,因此它不会是一个案例研究。

另一个地质属性的盐矿断层的结构。与步骤错误相关的一个问题是,他们可以是一个水馈线盐沉积。

无线电波传播的调查盐是很困难的,因为位置的先验知识的水——或者brine-bearing区很少。

岩盐是电流的导体内部主要是由于毛孔中含有水的间隙。在岩盐水诱导电导率可以确定使用模型(25]。电导率的值由0.02%的含水量2×10⁻⁶Ω⁻¹米⁻¹(26]。这么小的含水量预计不会大幅减少盐层的传输。

卤水的影响形式的流体包裹体也估计(23]。后的盐水诱导电波衰减计算(27,28]。如果海浪旅行的距离1.1厘米在盐水中,约70%的能源都将丢失。如果增加到1.4厘米的距离,仍然只有20%的能量。对于传播的距离超过2.1厘米,透射系数小于10%。

得出原生水和二次被困水(11将吸收所有广播电磁辐射。这些洞穴的位置必须确定先验。他们只能被追踪实验(即。书中建议的那样,使用探地雷达测量,(29日])。另一个地下水示踪剂来源可以通过化学成分分析(例如,MgCl很高₂内容显示原生水,Cl / Br coefficient-primary困水等。11])。

3所示。传播研究

3.1。异构区对电磁波的影响

纯净的氯化钠是一个各向同性晶体。进入以恒定的角度和辐射是折射穿过晶体在一个单一的速度却没有被交互的电子元件极化晶体晶格。因此,只要少量杂质,可以看出双折射现象在所有频段。

电磁(EM)数据中观察到的地球物理实验在异质媒体通常反映了两种现象:电磁感应地球和(EMI)激发极化(IP)效应与极化电荷弛豫的岩层。IP效应是由复杂的电化学反应现象伴随电流在地球表面积累电荷充分说明了不同颗粒形成的岩石。

EMI和IP现象发生在岩石地区的成矿(矿化颗粒的地区)和碳氢化合物的水库30.]。

地区的矿化观察到在盐丘的盖层。冠岩主要由无水石膏,石膏,方解石安排在非均匀层。盖层分层从穹顶,穹顶是不规则的,有很大的差异。结构变形和压裂是常见的,海绵的空洞。分析其他特性的金伯利岩的位置,断裂,包括矿化区,可以确定,例如,航磁数据(31日]。

盐是不透水的,当它到达一层渗透性岩石,碳氢化合物的迁移,它阻碍了通路以同样的方式作为断层圈闭。由于区域的四周,盐丘是一个理想的地质环境碳氢化合物陷阱(32]。

围岩的压裂由于入侵盐和盐丘的岩石上的提升也为断层的存在提供了环境陷阱和背斜圈闭除了盐丘陷阱的四周圆顶。因此,盐丘地区是一个优秀的地质环境为所有类型的陷阱(33]。此外,与蒸发岩矿物可以提供优秀的密封能力。油藏生产的监测可以执行使用EM方法(34]。

因为在宇宙中微子探测器检测元素的情况下放置远离圆顶的外围,我们可以得出结论,EMI和IP会影响无线电波传播。此外,这些影响在千赫频率很重要,所以观察~ 200 MHz不会受到影响。

3.2。无线电传输的估计

我们认为远程无线电波的传播,这意味着大量的交叉层沉积。为了这个目的,我们将介绍变速器是传播电场强度的比值在整个盐介质传播到最初的电场强度。吸收和散射效应也包含在这个量。

对于本文提出的模拟,我们认为经典的传播模型。我们假设只有一个向前和向后行波在每一层。模型的一个限制,要求进一步调查与消散字段之间的分离边界层可能与消散的相邻层反应。

在现实情况中,一个都不能预知或测量所有的盐层的介电系数(特别是当订单的体积感兴趣的是立方公里)和扩展侵入性程序不是一个选项在挖掘水井。因此,应该调查的可能性接近真实的环境通过考虑介质的等效介电常数”(由选民层的介电系数的均值,这被认为是相等的大小)。媒体的假设与常数建立均质层厚度不符合的原位特征盐丘在大多数情况下,但这是把这里当做一个保守的情况。

研究杂质的影响远程传播,我们模拟一个情况只改变一个杂质浓度层之间。如果层层浓度变化很小(约0.1在那里是表中给定元素的浓度1),结果是独立的杂质类型的,它的浓度不同。这是由于这样的事实,大部分的权力是输了层间反射而吸收和散射由于杂质是非常小的。

吸收层相比仍然是小反射即使浓度差异很大(约)。高等物理维度的传播较差的杂质。大多数损失与反射相关层之间的接口。层数越高,越高损失(反射)。

为了评估层数的影响,单一类型的杂质的远程传播,我们进行了模拟所有层有一个恒定的厚度。从层到层,只有一个杂质浓度不同,均匀分布在区间[0,]。其余的杂质有相同的浓度在所有层(表中给出1)。每个层数,一个“等效”的情况已经计算(单一层的介电常数的长度确定使用的平均体积平均浓度杂质),表示在图吗3虚线。在图3实际的传输和“等效”传输显示。一个可以看到“等效”传播是高估了实际情况。此外,如果只有一个层杂质浓度不同,反映在接口是极其微小的。结果是独立的杂质类型但依赖他们的体积浓度。我们展示了结果只是一种杂质(Br),因为结果都很相似。

使估计的大小只吸收,我们计算传输的区别没有吸收,当总传播距离100米,厚度的层2,4,或者10厘米。吸收占不到10⁻⁹总损失的能量。因此,的主要机制,导致减少反射波的振幅是沉淀层之间的接口。

3.3。传播引起的局限性在宇宙中微子探测器

传输通过盐层应该仔细估计,因为数据分析的例子,每个天线测量记录的成比例的产品传播和产生的中微子无线电领域交互在盐。此外,探测器的分辨率和灵敏度取决于这个因素。

在先前的研究中,传播媒介被认为是均匀和衰减长度的定义简单的35]: 损耗角正切在哪里吗 在这两个方程,表示介电常数的实部虚部。

对于纯盐,衰减长度达到几百兆赫超过1公里。这是报告的情况下36)衰减长度900米的测量在最大煤矿200 MHz,美国。最精确的测量无线电衰减在象牙海岸自然盐形成执行布兰奇盐矿发现衰减长度从93 (150 MHz) 63 (300 MHz) (37]。然而,盐在其他存款在北美显示介电常数等5 - 7和损失切线0.015 - -0.030或更多在300 MHz,暗示衰减长度10米以下(35]。

在前面的小节中,结果表明,介电常数不能被任何一种近似“的意思是”值(图3)的介电系数不同(可能)收集样本。这直接影响探测器的结构和预测。传播的现实模型应该考虑分层介质在每一层杂质应该有一个随机的浓度。为此,我们允许每个杂质类型在每一层随机浓度区间[0.5,1.5]- -表中给出的标称浓度吗1——每个模拟多次重复。

我们认为30集的模拟,在每个我们使用随机值浓度的杂质类型、不同层之间。传输每个模拟和计算的平均值和标准偏差测定的30集模拟。图4显示结果当相同层的厚度2厘米、4厘米、6厘米被认为是。

图4表明,在传播的已知值(比/)不仅传播距离(例如,中微子交互和无线电探测器元素)之间的距离,还可以确定沉积的厚度层。结果在图4假设获得的相等沉积层。

下一步,我们同时考虑随机传播距离和层厚度的变化。图5显示了传播因素的平均值为每个组合层thickness-propagation距离。最宽的最小层和传播长度产生最高的传播。

根据层的厚度,1σ标准偏差的不同传播。1厘米厚层,它等于18.75%随层厚度的增加(层厚度2厘米就17.9%)。

探测器的最小分辨率是由标准差。标准差越大,越大歧义在决定层的厚度。然而,对于特定的传播距离,仍有可能独特估计层的厚度。

在图6显示,传输的等值面。从成本的角度来看,我们感兴趣的一个探测器,允许最大传播距离(即。,distance between antennas) but is capable of good reconstruction of signals (thus neutrino properties) in a given medium. If we impose a maximum propagation distance of 100 m and a threshold of 10% (the medium itself produces 90% losses), the medium should be formed by layers of minimum 9 cm thickness. A smaller distance between receivers of 80 m allows a threshold of 12% when the minimum thickness of the layers is 8 cm.

一个重要的观察是相变。当跨越不同层之间的接口,不仅波的振幅降低也发生相移。图7显示了相移的层数和厚度等于20厘米。测量阶段不能用于确定初始粒子的方向。

获得最优检测设备(天线和过滤器)特点,我们通过层模拟传播不同的厚度,在两个频率:187.5 MHz(半波偶极子的对应值80厘米)和1 GHz,商议的区别。我们认为总传播距离是由相同层的厚度(在第一个模拟2厘米,紧随其后的是4厘米,10厘米)。在每一层,每种杂质的浓度随机变化,值0.5至1.5倍的名义浓度给定的表1。如图8,两个考虑频率传输的差异非常小,特别是对层的厚度。当比较小,一个人应该选择较小的频率为中心频率的电子设备。

4所示。结论

在本文中,我们模拟的一些影响,影响分层无线电波传播媒体。我们的研究是由渴望建立一个中微子无线电探测器在罗马尼亚盐矿。“乌尔济切尼,”我被选中,是因为我们已经安装了一个实验室工作。如第一部分所述,neutrino-salt相互作用产生一个电磁场,可以衡量无线电天线。通过研究这种交互,可以发现宇宙粒子的主要特点:能量可以确定振幅的新兴领域,无线电脉冲到达时间的方向在不同的天线。中微子类型可能推断出从淋浴的签名(三种口味有不同的交互特点)。确定主要的中微子的味道的问题在一个无线电实验是一个复杂的问题,不是本研究的范围。良好的理论描述和数学模型,无线电波传播盐对于频率200 MHz是必要的。

需要深入调查主题的传播环境的主要因素决定的能量阈值检测器,其分辨率,确定初级粒子的不确定性特征。最新的,没有广泛的研究的影响,分层介质的性能探测器。

我们分析了所有可能类型的盐异构性问题和得出的结论是,在特定情况下无线电中微子探测器的“乌尔济切尼”只盐矿沉积和穹顶的异构性问题会影响无线电波传播。周边相关的影响可以被排除在外,因为探测器将建在中央穹顶的一部分。此外,传播的衰减长度相比盐是小冰,从而为这种类型的中微子探测器,我们预计只有大约0.2公里的延伸³为1公里³仪器的体积。

盐均匀介质的等效介电常数的计算在187.5 MHz:。如果所有元素的浓度增加其价值的5倍(38),介电常数的虚部增加10倍(0.002)23]。这将对应于一个衰减长度大于1公里。之间的距离检测elements-antennas这里可能是秩序。而且宇宙中微子的能量阈值将小于1 PeV [6]。

相比吸收引起的杂质,散射效应是40个数量级较小,所以它可以很容易地忽略。波在更高的频率作为相应的波长更小更有效地分散和杂质大小的方法。然而,在~ 200 MHz,维度的异质性,可以发现在自然岩盐(包括硬石膏、碳氢化合物等)与波长相比非常小,因此在米氏散射政权是无关紧要的。

当考虑沉积分层介质,模拟表明,吸收占不到10⁻⁹总损失的能量,从而减少的主要机制,导致波振幅反射的层之间的接口不同的介电常数。由于back-reflected多次反射波在一层可以直接认为是损失。

逐渐改变层内杂质的浓度减少反射。交叉层的传输变得几乎独立的数量如果只有一个元素的浓度变化层,层。

如前所述,模拟显示的主要因素,有助于减少信号反射的层之间的接口。最坏的情况(最小的层,这被认为是1厘米,与元素浓度未知的因素2)导致传播因素未知~ 20%。

无线电波传播的另一个要考虑的因素是水盐的存在结构:如果海浪旅行距离高于盐水泡2厘米,约90%的能源都将丢失23]。很明显,二次水困在洞穴会吸收所有的电磁辐射。就强制定位这些洞穴互补技术(如地电学、探地雷达等)。

它已经表明,波极化信息完全迷失在传播。这是由于这样的事实:在每一层路口发生相移。考虑到生产之间的层数和接收的电磁波不能准确地知道,无法正确推断出初始阶段基于最终测量阶段。

媒介本身决定了最优观测频率。如果薄层沉积物(案例更接近现实),一个人应该选择一个较小的频率为中心频率的电子设备(传播损失更小)。

如果介质是均匀的,其介电常数的价值决定了衰减长度进而决定了能量阈值和天线之间的距离。如果媒介是异构的,一个不能使用介电系数的平均值(如原位采集来自多个样本)来估计反射的影响。在所有场景,“的意思是”情况显然低估了实际情况。的影响是显而易见的:39)中被认为是均匀的衰减长度250米。这使得探测宇宙中微子的能量高于10 PeV如果间距检测台是225米。如果一个非均匀介质被认为是和间距保持在相同的值,能量阈值应该增加到10¹⁹电动汽车(39]。

时估计这种检测器的性能,为恢复10%的原始EM字段由一个中微子交互的媒介,沉积厚度层至少有9厘米,交互点检测天线的距离应小于100米。接收器之间的距离80允许12%的原始的电磁场的阈值,但只有当层的最小厚度是8厘米。

对探测器的建设的后果是显而易见的:检测元素应该尽可能接近对方。另一方面,这将增加成本的电子产品的体积必须有更多的电台。然而,由于新兴市场领域主要中微子的能量成正比,天线之间的间距将由我们选择测量阈值能量。

我们估计,对于这样一个中微子探测器的主要因素的不确定性是由传播介质的属性(例如,通过沉淀层的厚度及其成分)。在我们的分析,我们认为“乌尔济切尼”盐矿的数据(例如,杂质浓度和厚度层)。然而,没有明显的理由不去扩展其他盐矿的结果相同的地质形成的机制,特别是因为我们允许一个松散的杂质浓度的变化。我们的主要结论是,在盐的不确定性宇宙中微子探测器由于媒介仅仅是19%。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是项目支持的电晕(没有。194/2012)和AugerNext(合同编号。1)粗2 ERA-NET)。作者要感谢裁判对他们有用的评论。