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Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 01.07.2004 Neutrino-Flüsse von Gamma-Ray Bursts.

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1 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik Neutrino-Flüsse von Gamma-Ray Bursts

2 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Einleitung - GRBs Gamma-ray bursts = sehr intensive und kurzzeitige Gamma-Strahlen- Emissionen, die für ein paar Sekunden alle anderen Gamma-Quellen überstrahlen (einschließlich der Sonne)

3 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Einleitung - GRBs Gamma-ray bursts = sehr intensive und kurzzeitige Gamma-Strahlen- Emissionen, die für ein paar Sekunden alle anderen Gamma-Quellen überstrahlen (einschließlich der Sonne)

4 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Einleitung - GRBs erste Erwähnung 1973, basierend auf Beobachtungen des Vela Militär- Satelliten wurde BATSE (Burst and Transient Experiment) an Bord von CGRO in den Orbit befördert -> über 3000 Burst-Beobachtungen 1997 erstellt der Beppo-SAX Satellit erstmals hochauflösende Röntgenbilder des vorhergesagten Afterglows bei GRB

5 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Verteilung und Häufigkeit von GRBs [BATSE] Isotrope Verteilung keine Häufung in der galakt. Ebene kosmologische Distanz seither bestätigt durch Identifizierung der Muttergalaxien (anhand der Rotverschiebung des Afterglows) kurze Bursts (0.01s < t < 2s) lange Bursts (2s < t < 1000s) bimodale Verteilung Hinweis auf unterschiedliche Entstehungsmechanismen ??

6 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Kandidaten für GRB Vorläufer Vorläuferobjekte bislang nicht genau identifiziert Vermutung: nur ein kleiner Bruchteil (~10 -6 ) der Sterne kommt hierfür in Frage 1. Hypernovae oder Kollapsare (massivste Sterne, die in einem Core- Kollaps enden ) 2. Doppel-Neutronenstern-Systeme oder Neutronenstern-Schwarzes Loch-Binärsysteme Beide Vorläufer-Modelle würden im Endergebnis zur Entstehung eines rotierenden schwarzen Lochs führen, welches von Materietrümmern umgeben wäre die enorme Kompressionswärme während der Akkretion lässt einen e, -Feuerball entstehen, der sich schnell ausbreitet Feuerballmodell

7 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Kandidaten für GRB Vorläufer lange Burstdauer Population der Vorläufersterne sind junge, sehr massereiche Sterne, die in einer Hypernova explodieren Nachglühen im Röntgen- und optischen Licht beobachtet Fe-Linien im Röntgenspektrum deuten auf SN/HN hin ? Hypernova kurze Burstdauer Burster Population sind alte verschmelzende NS Nachglühen bislang nicht beobachtet, da Burstdauer zu kurz ? Doppel-NS-Syteme oder NS-SL-Binärsysteme

8 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Das Feuerball-Modell 1 Luminosität der -Strahlen: L ~ erg, T~10s Charakteristische Veränderungszeit: t ~ 10ms kompaktes Objekt mit R< t c ~ 100 – 1000 km bei isotroper Emission Ws am Ort des GRB in - Strahlung ! Feuerball expandiert, wird optisch dünner entkoppeln sich aus dem thermischen Gleichgewicht mit e + e - thermisches Spektrum der Strahlen erwartet – nicht beobachtet !

9 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Das Feuerball-Modell 2 Burstquelle ist kompaktes Objekt, das einen mit v ~ c ausbreitenden Materiefluss bewirkt ( > 100) Burst entsteht wenn im Materie- ausfluss verschiedene Schalen sich mit unterschiedlichen ausbreiten und kollidieren Wenn Feuerball durch das umgebende Medium auf v << c abgebremst wird entsteht der Afterglow (wochenlanges Nachglühen der Materie) Feuerball meist anisotrop: ultra-relativistische Jets mit Öffnungswinkel 1/ verwaiste GRBs

10 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Fermi-Beschleunigung in GRBs Teilchenbeschleunigung durch Mehrfachreflexion zwischen zwei relativistischen Schockwellenfronten (Fermi-Beschleunigung 1. Ordnung) Energiegewinn des Teilchens nach WW: = E/E ~ 2(u S1 -u S2 )/v T Energie nach n Zyklen: E n = E 0 (1+ ) n Teilchenspektrum: N(>E)~(E/E 0 ) wobei der Spektralindex ist und P die Entkommwahrscheinlichkeit beobachtete - und Afterglow-Strahlung in GRBs entsteht durch Synchrotron Emission von in Schockwellen beschleunigten Elektronen in dieser Region müssen auch Protonen diese Schock-Beschleunigung erfahren! Fermi-Beschleunigung von Protonen bis eV

11 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Das Feuerball Modell 3: Strahlungsprozesse Elektronen Spektrum: Produktionsrate: Energieverluste durch: Synchrotron-Strahlung Inverse Comptonstreuung Entstehung von keV-MeV Protonen Spektrum: Produktionsrate: Energieverluste durch: -Resonanz + 0 Entstehung von ~10 14 eV Neutrinos

12 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 UEHCR Flüsse beobachtete Rotverschiebungs- verteilung der GRBs 1 < z < 4.5 wenn Protonen den selben Beschleunigungsmechanismen ausgesetzt sind wie Elektronen, dann ist die CR-Produktionsrate durch GRBs: Produktionsrate der UHE Protonen in guter Übereinstimmung mit den gemessenen Flüssen für E>10 19 eV Fluss oberhalb von eV unterdrückt, da Protonen mit 2.7K reagieren GZK cutoff

13 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Neutrinos aus der inneren Schockregion ~ eV Neutrinoerzeugung über Photo-Meson-Produktion: Schwellenenergie: mit ~ 1 MeV, ~ 300 folgt: p ~ eV Pion erhält ca. 20% der Protonenenergie, die sich gleich auf alle Zerfalls- Leptonen verteilt ~ eV Protonenerzeugungsrate: Neutrinofluss:

14 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Afterglow-Neutrinos ~ eV Hochenergetische Protonen (beschleunigt in reverse shocks) können mit 10 – 1000 eV Photonen reagieren und über Pionzerfall – eV Neutrinos erzeugen Neutrinofluss abhängig von der Dichte der Materie, die Feuerball umgibt: a) n~1 cm -3 bei interstellarer Materie b) n~10 4 cm -3 Sternenwind bei Kollaps eines massiven Sterns a)Fluss zu niedrig nicht detektierbar b)Fluss Neutrino-Fluss stark unterdrückt für E >10 19 eV, da Protonen nicht über E p > eV beschleunigt werden

15 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Neutrinoflüsse von GRBs

16 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 GRB-Neutrinodetektion mit ANTARES ? Satelliten Trigger durch GCN (GRB Coordinates Network) Zeitverzögerung (Koord.berechnung ~5.5s computer-to-computer socket connection <1s) Richtungsbestimmung Anfangsgenauigkeit ~10° später ~0.1-2°(stat)+2°(syst)=3° Schmales Zeitfenster ~30s massive Untergrundunter- drückung bei -Detektion, da räumliche und zeitliche Korrelation mit Satellitendaten

17 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Abschätzung des GRB Flusses in ANTARES

18 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Abschätzung der erwarteten Wirkungs- querschnitt ( N) Effektives Volumen bei 60 kHz t GRB ~ 10 7 s GRB ~ 2 t ATM ~ 500*30 s ATM ~ km³ log E

19 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Erwartete GRB-Neutrinos pro Jahr in ANTARES Fazit: 0.5 pro Jahr in ANTARES aus GRB werden erwartet JEDES gemessene in Korrelation mit GCN-Satellitendaten ist signifikant !!! Richtungsbestimmung mit ANTARES (0.4°) besser als Satelliten (3°) E [GeV] GRB Afterglow atmosph. eff. Untergr 10 2 – – – – – –

20 Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004 Ausblick auf die Implikationen der Detektion hochenergetischer Neutrinos aus GRBs: 1.Test des Schockbeschleunigungsmechanismus 2.Test der Hypothese, dass GRBs eine Quelle hochenergetischer Protonen (>10 16 eV) sind 3.liefert Grenzen für mögliche Vorläufersterne, da der Fluss der ~10 17 eV Neutrinos von der Umgebung des Feuerballs abhängt 4.unter Berücksichtigung der -Oszillationen (1:2:0) (1:1:1) wäre die Detektion eines ein appearance experiment 5.Test der Gleichzeitigkeit von und Ankunft (spezielle Relativitätsth.) 6.Test des schwachen Äquivalenzprinzips (= und erfahren die gleiche Zeitdilatation wenn sie durch ein Gravitationspotential laufen)


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