Impact des microséismes marins sur la performance du détecteur CUORE

La recherche d'événements rares en physique, comme les interactions de matière noire et la désintégration double bêta sans neutrinos, nécessite des détecteurs très sensibles. Un de ces détecteurs est l'expérience CUORE, qui opère sous terre en Italie. Elle utilise des calorimètres à basse température capables de détecter de petites variations de température provoquées par ces événements rares. Cependant, ces détecteurs sont aussi affectés par le Bruit environnemental, qui peut venir de différentes sources, y compris des vibrations de la mer.

#Aperçu de l'expérience CUORE

CUORE, qui signifie Observatoire Cryogénique Souterrain pour Événements Rares, est une expérience située au Laboratoire National Gran Sasso en Italie. Elle est composée de 988 cristaux de dioxyde de tellure (TeO2), organisés en 19 tours. Ces cristaux sont refroidis à des températures très basses, autour de 10 millikelvins, pour minimiser le bruit et améliorer la sensibilité. Le but de CUORE est de rechercher la désintégration double bêta sans neutrinos, un processus qui pourrait fournir des pistes sur la nature des neutrinos et de la matière.

#Importance du bruit environnemental

Le bruit environnemental peut impacter négativement la précision des mesures effectuées par les détecteurs CUORE. Ce bruit peut venir de diverses sources, y compris l'activité sismique des tremblements de terre et les vibrations générées par les vagues maritimes. Comprendre comment ces facteurs externes influencent la performance des détecteurs est crucial pour améliorer la fiabilité des résultats d'expériences comme CUORE.

#Microséismes marins

Les microséismes marins sont de petites vibrations dans le sol causées par les vagues océaniques et les tempêtes. Ces vibrations peuvent voyager loin de leur source et peuvent même atteindre des installations souterraines comme celle qui abrite l'expérience CUORE. Bien que ces vibrations soient beaucoup plus petites que celles produites par les tremblements de terre, elles peuvent néanmoins affecter des détecteurs sensibles. La relation entre les microséismes marins et le bruit au sein des détecteurs CUORE est un domaine d'intérêt majeur pour les chercheurs.

#Objectifs de l'étude

Le principal objectif de cette étude est d'examiner comment les microséismes marins affectent le Bruit à basse fréquence des détecteurs CUORE. En étudiant les données provenant à la fois de sources maritimes et sismiques, nous pourrons mieux comprendre la corrélation entre l'activité marine et le bruit des détecteurs. Ce savoir peut aider à développer des stratégies pour gérer et réduire les effets du bruit environnemental sur des expériences sensibles.

#Méthodologie

#Sources de données

Pour mener cette étude, nous utilisons deux sources principales de données : le Service de Surveillance de l'Environnement Marin Copernicus (CMEMS), qui fournit des informations sur l'activité marine, et des Sismomètres installés près des détecteurs CUORE. Cette approche duale permet une analyse complète de la façon dont les vibrations de la mer correspondent aux fluctuations des détecteurs.

#Sismomètres

Deux types de sismomètres ont été déployés pour surveiller les vibrations au Laboratoire National Gran Sasso. Le premier ensemble de capteurs, appelés SEISMO1 et SEISMO2, a été installé dans la zone expérimentale CUORE pour se concentrer sur les perturbations locales. De plus, un sismomètre plus sensible, connu sous le nom de GIGS, est situé à proximité et fait partie d'un réseau plus large pour surveiller l'activité géologique à travers l'Italie. Ces sismomètres nous aident à détecter les vibrations provenant de sources sismiques et marines.

#Données marines

Le CMEMS fournit des données vitales sur la hauteur des vagues et les conditions maritimes, qui peuvent être liées aux vibrations détectées par les sismomètres. Les deux zones maritimes sur lesquelles nous nous concentrons sont la mer Adriatique et la mer Tyrrhénienne, qui se trouvent près de l'installation CUORE. En surveillant ces régions, nous pouvons évaluer comment l'activité marine influence les vibrations qui atteignent les détecteurs.

#Bruit dans les détecteurs cryogéniques

Les détecteurs cryogéniques sont très sensibles à diverses formes de bruit, y compris le bruit thermique et électronique. À des températures extrêmement basses, le bruit thermique est minimisé, permettant aux détecteurs de fonctionner efficacement. Cependant, des facteurs environnementaux comme les vibrations peuvent introduire de nouvelles sources de bruit, rendant essentiel de les comprendre et de les gérer.

#Types de bruit

Le bruit peut provenir de plusieurs sources :

1. Bruit électronique : Ce type vient de l'électronique utilisée pour lire les signaux des détecteurs. Les fluctuations dans les composants électroniques peuvent introduire un bruit indésirable.

2. Bruit vibratoire : Les vibrations mécaniques provenant de diverses sources, comme l'activité humaine, peuvent perturber les éléments sensibles des détecteurs. Cela peut mener à des signaux fallacieux imitant des événements réels.

3. Bruit sismique : Les vibrations résultant d'événements sismiques, y compris des petits tremblements et de grands tremblements de terre, peuvent perturber considérablement le fonctionnement des détecteurs.

4. Bruit micro-sismique marin : Ce bruit est causé par les vagues océaniques et les tempêtes, et peut être un facteur clé dans la performance des détecteurs comme CUORE.

#Étude de cas : détecteurs CUORE et schémas de bruit

Dans cette étude, nous analysons les schémas de bruit des détecteurs CUORE par rapport à l'activité marine. Nous nous concentrons sur une tempête spécifique qui a eu lieu du 21 septembre au 1er octobre 2020. En examinant les niveaux de bruit pendant cette période, nous visons à déterminer comment les microséismes marins ont affecté la performance des détecteurs.

#Analyse du bruit

Pour analyser le bruit, nous prenons des relevés continus des détecteurs CUORE et appliquons une série de filtres pour obtenir un signal clair exempt de pulsations thermiques ou d'autres perturbations. Cela nous permet d'isoler les événements de bruit qui sont uniquement dus à des influences externes, comme les microséismes marins.

#Lien entre l'activité marine et le bruit des détecteurs

En rassemblant des données à la fois du CMEMS et des sismomètres, nous établissons une corrélation entre l'activité marine et le bruit à basse fréquence au sein des détecteurs CUORE. Les résultats montrent que les niveaux de bruit augmentent pendant les tempêtes maritimes, en particulier à une fréquence de 0,6 Hz, où les détecteurs sont les plus réactifs.

#Corrélation statistique

Nous utilisons la régression linéaire pour quantifier la relation entre l'activité maritime et le bruit enregistré par CUORE. L'analyse révèle qu'une plus grande activité des vagues est corrélée avec un bruit accru dans les détecteurs. Cette découverte souligne l'importance des facteurs environnementaux dans le fonctionnement des instruments sensibles.

#Implications pour les recherches futures

Comprendre comment les microséismes marins affectent les détecteurs CUORE peut mener à de meilleures stratégies de gestion du bruit. En atténuant l'impact de ces facteurs environnementaux, nous pouvons améliorer la sensibilité et la résolution des mesures, au bénéfice des futures expériences en physique des particules et astrophysique.

#Conclusion

Cette étude souligne l'importance de prendre en compte le bruit environnemental lors des expériences avec des détecteurs sensibles comme CUORE. En examinant la corrélation entre les microséismes marins et le bruit à basse fréquence, nous obtenons des idées précieuses sur la façon d'améliorer la performance des détecteurs. Alors que nous continuons à explorer les liens entre l'activité océanique et les mesures scientifiques, nous préparons le terrain pour des avancées dans notre compréhension de la physique fondamentale.