ARA detector calibration with Telescope Array Electron Light Source - PowerPoint PPT Presentation

ARA detector calibration with Telescope Array Electron Light Source Romain Gaior for the Chiba group 1

ARA: Askaryan Radio Array -­‑ ¡Detec&on ¡of ¡UHE ¡ cosmogenic ¡ neutrino ¡ -­‑ ¡Expected ¡sensi&vity ¡10x ¡IceCube -­‑ ¡ Elemental ¡detector: ¡string ¡of ¡4 ¡ antennas ¡ (2 ¡vert/2 ¡hori ¡polariza&on) -­‑ ¡1 ¡sta&on ¡= ¡4 ¡strings -­‑ ¡3 ¡sta&ons ¡installed ¡(37 ¡planned) -­‑ ¡Coherent ¡emission ¡from ¡charge ¡ excess ¡in ¡neutrino ¡induced ¡shower (Askaryan ¡effect) -­‑ Radio ¡aFenua&on ¡length ¡in ¡ ice ¡~ ¡1km d d a λ l l a m y s l e (at ¡op&cal ¡wavelength ¡~ ¡100 ¡m) v i t c u r t s e d r -­‑ ¡Bipolar ¡pulse ¡of ¡ few ¡ns e w o h s n i s s e c x e − e ν g n i m o c n i y l t n e r e h o c d d a λ e g a r l r e 2 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014) e

ARA @ Utah Concept: ¡Shoot ¡electrons ¡in ¡ice ¡to ¡produce ¡a ¡shower ¡and ¡observe ¡the ¡Askaryan ¡like ¡signal Detector : ¡ Source : ¡ -­‑ ¡ARA ¡antenna ¡+ ¡ampli -­‑ ¡Telescope ¡Array ¡LINAC ¡ -­‑ ¡Fast ¡oscilloscope -­‑ ¡Ice ¡block ¡as ¡a ¡target ¡Will ¡be ¡ conducted ¡in ¡January ¡(2015) 3 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

ARA @ Utah Concept: ¡Shoot ¡electrons ¡in ¡ice ¡to ¡produce ¡a ¡shower ¡and ¡observe ¡the ¡Askaryan ¡like ¡signal Detector : ¡ Source : ¡ -­‑ ¡ARA ¡antenna ¡+ ¡ampli -­‑ ¡TA ¡LINAC ¡electron ¡beam ¡ -­‑ ¡Fast ¡oscilloscope -­‑ ¡Ice ¡block ¡as ¡a ¡target ¡ Probe ¡the ¡parameterizaEon ¡of ¡the ¡radio ¡signal ¡used ¡in ¡ARA ¡simula&on ¡ Check ¡the ¡absolute ¡calibraEon ¡of ¡ARA ¡antenna ¡ 4

Source and Target Target: ¡Ice ¡block -­‑ ¡100cm ¡x ¡30cm ¡x ¡30 ¡cm -­‑ ¡Installed ¡in ¡a ¡plas&c ¡box ¡1m ¡above ¡the ¡beam ¡exit -­‑ ¡can ¡be ¡inclined ¡to ¡choose ¡the ¡exit ¡angle ¡of ¡radio ¡ wave M. Relich Source: ¡TA ¡LINAC -­‑ ¡source ¡of ¡40 ¡MeV ¡electron ¡ -­‑ ¡maximum ¡of ¡10 9 ¡par&cles/s -­‑ ¡bunch ¡of ¡few ¡ns ¡long ¡divided ¡in ¡sub ¡bunches ¡ (every ¡350 ¡ps) ¡ -­‑ ¡bunch ¡length ¡can ¡be ¡changed 5 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

E field simulations par&cle ¡distribu&on ¡in ¡target Complete ¡E ¡field ¡simula&on M. Relich 10 8 10 7 -­‑ ¡each ¡subbunch ¡creates ¡a ¡separated ¡E ¡ -­‑ ¡G4 ¡simula&on ¡of ¡target field -­‑ ¡Shower ¡length ¡~ ¡20 ¡cm -­‑ ¡more ¡plateau ¡like ¡than ¡shower ¡dev. 6 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Detector setup Antenna ¡tower -­‑ ¡Adjustable ¡height: ¡ 7 ¡-­‑> ¡12 ¡m + ¡horizontal ¡pole ¡of ¡6m + ¡antenna ¡support ¡for ¡ verEcal ¡and ¡horizontal polarizaEons Antennas -­‑ ¡two ¡antennas ¡at ¡the ¡same ¡&me gain [dBi] 4 Bottom Chiba -­‑ ¡3-­‑4 ¡m ¡from ¡the ¡tower freq. = 300MHz 2 0 -­‑ ¡Calibra&on ¡and ¡simula&on ¡in ¡progress -2 -4 -6 data -8 simulation 7 -10 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014) -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 angle [deg.]

Full simulation bandwidth limited for noise reasons K. Mase Mul&ple ¡bunches ¡create ¡interferences ¡in ¡the ¡ Antenna ¡response ¡widens ¡the ¡signal ¡in ¡&me radio ¡signal Expected ¡signal ¡~ ¡tens ¡of ¡mV 8 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Antenna support test Are ¡we ¡able ¡to ¡operate ¡a ¡12m ¡tower ¡??? 9 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

On site test on Nov. 2014 Purposes 1. ¡Site ¡check ¡ 2. ¡Work ¡on ¡beam ¡lenght ¡and ¡monitoring 3. ¡Radio ¡noise ¡survey 4. ¡«Rehearsal» 10 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Electron Beam studies Faraday cup Wall current monitor 5ns -­‑ ¡Bunch ¡length ¡reduced ¡to ¡5ns (thanks ¡to ¡Shibata ¡san ¡and ¡KEK ¡engineers) -­‑ ¡subbunch ¡structure ¡measured ¡with ¡FC ¡ -­‑ ¡Total ¡charge ¡measured ¡also ¡with ¡WCM ¡ (FC ¡stops ¡the ¡beam) -­‑ ¡Good ¡correlaHon ¡(~3% ¡spread) 11 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Radio noise on site -40 power [dB/10kHz] position:South mean dir. north -50 mean dir. east mean dir. south mean dir. west -60 -70 -80 -90 200 250 300 350 400 450 500 frequency [MHz] -­‑ ¡Rather ¡radio ¡ quiet ¡environment -­‑ ¡ No ¡constant ¡noise ¡from ¡the ¡ LINAC -­‑ ¡We ¡did ¡observe ¡a ¡larger ¡noise ¡from ¡the ¡ control ¡room ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (will ¡be ¡shielded ¡in ¡January) 12 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Transient noise from beam ~15.5m -­‑ ¡Small ¡signal ¡from ¡the ¡beam ¡itself ¡(no ¡target) -­‑ ¡Probably ¡from ¡«sudden ¡birth» → ¡ small ¡background 13 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Test of complete chain Vertical polar. Horizontal polar. !"# � -­‑ ¡Polarized ¡signal ¡observed $%&&#' � -­‑ ¡order ¡of ¡100mV ¡in ¡vert. -­‑ ¡... ¡but ¡similar ¡without ¡ice ¡! → ¡ TransiEon ¡radiaEon ¡from ¡plasEc 14 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Test of complete chain !"# � Vertical polar. !"#$%&#'%() � Horizontal polar. -­‑ ¡Hole ¡in ¡plasHc ¡box -­‑ ¡Signal ¡reduced ¡by ¡a ¡factor ¡5 ¡ -­‑ ¡SHll ¡higher ¡than ¡witout ¡target -­‑ ¡Horizontal ¡polar. ¡not ¡expected ¡ → ¡ might ¡have ¡observe ¡Askaryan ¡like ¡signal ¡! 15 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Sum up summed radio power [W] summed radio power [W] Polar.: Vertical Polar.: Horizontal -2 10 -2 10 Height: 10m Height: 10m -3 -3 10 10 no target no target ice ice ladder + plastic + ice ladder + plastic + ice -4 10 -4 10 3 plastic plates 3 plastic plates 1 plastic plate 1 plastic plate 2 3 4 2 3 4 monitor charge [pC] monitor charge [pC] -­‑ ¡VerHcal ¡polarizaHon ¡dominant -­‑ ¡Radio ¡signal ¡dependence ¡~ ¡quadraHc -­‑ ¡ContribuHon ¡from ¡TR ¡from ¡air-­‑plasHc ¡ (will ¡be ¡reduced ¡in ¡real ¡condi7on ¡with ¡a ¡hole ¡in ¡ice ¡box) -­‑ ¡Possible ¡contribuHon ¡from ¡air-­‑ice ¡transiHon →Analysis ¡ongoing ¡to ¡disentangle ¡Askaryan ¡from ¡TR 16 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

January experiment • ¡Experiment ¡will ¡be ¡held ¡in ¡January ¡ -­‑ ¡Everything ¡was ¡shipped ¡and ¡arrived ¡on ¡site -­‑ ¡Mechanics ¡work ¡for ¡ice ¡box ¡structure ¡being ¡done ¡at ¡Utah -­‑ ¡Equipment ¡tested ¡in ¡lab set ¡up ¡will ¡be ¡really ¡be>er ¡than ¡the ¡previous ¡pictures ¡!! • ¡ 4 ¡days ¡of ¡beam -­‑ ¡nominal ¡measurement ¡~ ¡1 ¡day -­‑ ¡addiHonal ¡tests ¡for ¡background ¡characterizaHon 17 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Conclusion • ¡ARA ¡@ ¡Utah ¡aims ¡at ¡a ¡confirmaHon ¡of ¡radio ¡coherent ¡signal ¡and ¡detector ¡ calibraHon • ¡ Full ¡simulaEon ¡from ¡parHcle ¡to ¡electric ¡field • ¡ Design ¡and ¡implemented ¡the ¡experimental ¡setup • ¡ First ¡tests ¡on ¡site ¡conclusive , ¡but ¡TR ¡might ¡be ¡an ¡issue ¡ ¡Experiment ¡conducted ¡next ¡January ¡!!! 18 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Thanks for your attention ¡Acknowledgements thanks ¡to ¡T.A. ¡physicists ¡and ¡engineers ¡for ¡their ¡help (Fukushima ¡san, ¡Shibata ¡san, ¡Ikeda ¡san, ¡BK ¡Shin ¡...) 19 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Back up: Beam shape convolution 20 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Back up: Radio signal parameterization (J. Alvarez Muniz et al, PRD 84,103003) Q(z): ¡charge ¡at ¡depth ¡z F p : ¡Form ¡factor ¡(determined ¡with ¡full ¡simula7on) 21 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Back up: Target setup 22 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Back up: Target setup 23 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Back up: Target setup 24 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)

Back up: ARA 25 R. Gaior (Neutrino Frontier Dec. 2014)