Alexander Kappes DPG-Frühjahrstagung München, 12. März 2009 Das Universum im Neutrinolicht: Neues von IceCube und ANTARES.

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1 Alexander Kappes DPG-Frühjahrstagung München, 12. März 2009 Das Universum im Neutrinolicht: Neues von IceCube und ANTARES

2 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 2 Übersicht Das Hochenergie-Universum und Einführung in die Neutrino-Astronomie Neutrino-Teleskope: IceCube und ANTARES Ausgewählte Resultate Perspektiven mit IceCube und KM3NeT

3 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 3 Boten des Hochenergie-Universums Cosmic ray spectrum 10 9 10 12 10 15 10 18 10 21 energy (eV) 10 -27 10 -21 10 -15 10 -9 10 -3 10 3 Flux (GeV -1 m -2 s -1 sr -1 ) LHC

4 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 4 Das Hochenergie-Universum Gamma-ray Bursts (GRB 080319B, röntgen, SWIFT) Aktive Galaktische Kerne (künstlerische Darstellung) Supernova-Überreste (SN1006, optisch, radio, röntgen) Mikroquasare (künstlerische Darstellung)

5 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 5 Beschleuniger (Quelle) Schockfronten (Fermi-Beschleunigung) Objekte mit starken Magnetfeldern (Pulsare, Magnetare) Beam dump (Produktion von Sekundärteilchen) Wechselwirkung mit Photon-Feldern, Materie Protonen: Pion-Zerfall Elektronen: inverse Compton-Streuungvon Photonen e + γ e + γ (TeV) Produktion hochenergetischer Teilchen im Universum p + p(γ) π ± + X μ + ν μ e + ν μ + ν e p + p(γ) π 0 + X γ + γ (TeV)

6 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 6 Warum Neutrino-Astronomie? Neutrinos zeigen zurück zur Quelle Neutrinos überwinden kosmologische Distanzen Neutrinos entkommen optisch dichten Quellen Neutrinos sind ein klares Anzeichen für Hadron-Beschleunigung Neutrinos liefern komplementäre Informationen zu Gamma-Photonen und Protonen

7 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 7 Nachweis von kosmischen Neutrinos muon νμνμ nuclear reaction cascade

8 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 8 Fluss von oben dominiert von atmosphärischen Myonen Neutrino-Teleskope vor allem sensitiv auf Neutrinos von unten Untergrund: Atmosphärische Myonen & Neutrinos kosmische Strahlung ~15 km π+π+ μ + νμνμ Atmospähre p

9 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 9 Neutrino-Teleskope: IceCube und ANTARES

10 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 10 Himmelsabdeckung Sichtbarkeit ANTARES (Mittelmeer) > 75% 25% – 75% < 25% TeV γ-Strahlungsquellen galaktische extragalaktisch Sichtbarkeit IceCube (Südpol) 100% 0%

11 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 11 IceCube am Südpol Südpol IceCube

12 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 12 1450 m 2450 m IceCube IceTop Luftschauerdetektor InIce 80 Strings (4800 PMTs) Status: 58 Strings installiert Instrumentiertes Volumen: 1 km 3 DeepCore 6 zusätzliche Strings Dichter gepackt Erster String 2008/09 installiert Niederenergie-Physik, E < 1 TeV (WIMPs,... )

13 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 13 Eis-Eigenschaften Photon-Propagation im Eis durch Streuung dominiert λ abs ~100 m λ scat ~20 m Datenanalyse sensitiv auf Eis-Eigenschaften Eis-Eigenschaften genau vermessen

14 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 14 ANTARES im Mittelmeer Unterseekabel (45km) Küstenstation

15 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 15 12 Lines (885 PMTs) Datennahme mit dem kompletten Detektor seit Mai 2008 Instrumentiertes Volumen: ~0.01 km 3 ANTARES 2100 m 2475 m

16 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 16 Lines bewegen sich und rotieren in Meeresströmung Akustisches Positionierungssystem + Neigungmesser und Kompasse Überprüfung der Positionierung mit Ankunftszeiten von Laserpulsen Präzision ~0.5 ns = 10 cm Positionsbestimmung der PMTs Laser 0.5 ns 0-2-3-41234 measured – calculated (ns)

17 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 17 Optischer Untergrund Optischer Untergrund durch 40K-Zerfall und Biolumineszenz Typische Rate pro PMT 60-100 kHz Zeitweise kurze Bursts und Perioden mit hohen Raten Mar.06Sept.06Mar.07Sep.07Mar.08 Median rate (kHz)

18 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 18 Ausgewählte Resultate

19 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 19 ANTARES: Atmosphärische Myonen & Neutrinos Von unten: ν-induzierte Myonen ANTARES (173 days) Von oben: atm. Myonen

20 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 20 Keine Neutrino-Referenzquelle um absolute Detektorausrichtung zu überprüfen Verwendung des Defizits von atm. Myonen aus Richtung des Mondes -Mond-Durchmesser 0.5° Winkelauflösung -IceCube 80-String < 1° -ANTARES < 0.5° Erste Beobachtung des Monds mit 2 Monaten IceCube 40-String Daten IceCube: Der Mondschatten events on-Moon – off-Moon IceCube (preliminary)

21 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 21 Himmelskarte von ANTARES 5 Lines (140 Tage, 94 Ereignisse) Kein signifikanter Überschuss über Untergrund ANTARES: Suche nach Punktquellen

22 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 22 IceCube 22-String Himmelskarte (276 Tage, ~5000 Ereignisse) Größte Anhäufung bei r.a. 153º, dec. 11º Pre-trial Signifikanz: 4.8 sigma (Wahrscheinlichkeit p = 7×10 -7 ) Post-trial Signifikanz: 2.2 sigma (p = 1.3%) preliminary IceCube: Suche nach Punktquellen

23 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 23 IceCube 22-Strings + AMANDA pre-trial Signikanz Optimiert für weichere Spektren (Energie Cut-off bei einigen TeV) Max. Anhäufung (p = 0.37%): erwartet in 95% aller Untergrundfälle IceCube: Scan der galaktischen Ebene longitude (30˚ – 215˚) latitude (±3˚) pre-trial significance

24 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 24 Aktuelle obere Limits für Punktquellen ANTARES: 5 lines 140 days (limits) 12 lines 1 year (pred. sensitivity) IceCube: IceCube 22 strings 276 days (sensitivity) IceCube 2007-2009 IceCube 2007–2012 (Spiering, HGF review, 2009) 90% C.L. upper flux limits for E -2 spectra (preliminary) Vorhersagen Halzen, AK, OMurchadha, PRD (2008) AK, Hinton, Stegmann, Aharonian, ApJ (2006) Kistler, Beacom, PRD (2006)... MACRO (6 years) Super-K. (4.5 years) AMANDA (3.8 years)

25 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 25 Getriggerte Suchen Profitieren von der von Satelliten gemessenen Zeit und Position Geringe Anzahl von Ereignissen pro GRB erwartet Burst-Stacking Nicht getriggerte Suchen Mögliche große Population von choked GRBs; unsichtbar in γ-Strahlung Suche nach zeitlicher und räumlicher Anhäufungen von Ereignissen Gamma-Ray Bursts Fireball model Precursor ~-100 sT0T0 ~100 s> 1000 s TeV neutrinos PeV neutrinos EeV neutrinos Prompt

26 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 26 IceCube: Limits auf Neutrinoflüsse von GRBs AMANDA, all flavors untriggered (562 days) triggered (419 bursts) Prompt: Waxman & Bahcall, PRL (1997) Precursor: Meszaros & Waxman, PRL (2001) Triggered: A. Achterberg et al., ApJ (2008) Untriggered: A. Achterberg et al., ApJ (2007) precursor prompt Perspektiven: 200 – 300 getriggerte GRBs pro Jahr (Fermi, Swift) IceCube wird vorhergesagte Flüsse in nächsten Jahren entdecken können

27 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 27 Weitere Physik Punktquellen: Variable Quellen -Extragalaktische ν-Quellkandidaten nicht konstant (z.B. AGNs) -Verwendung von Beobachtungen in z.B. γ-Strahlung zur Eingrenzung des Suchzeitfensters (Reduktion des Untergrundes) Verwendung von Ereigniskoinzidenzen im Neutrinoteleskop zum Triggern von Beobachtungen mit optischen Teleskopen Andere Themen: Dunkle Materie (WIMPs) Supernovae (MeV Neutrinos) Neutrino-Oszillation (atmosphärische Neutrinos 10 - 100 GeV) Exotische Physik (Lorentz-Symmetrieverletzung, Monopole,...)

28 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 28 Perspektiven mit IceCube und KM3NeT

29 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 29 IceCube: Im Vergleich zu AMANDA (7 Jahre) Faktor 25 verbesserte Sensitivität -Größerer Detektor + Datenqualität -Akkumulierte Daten -Verbesserte Analysemethoden IceCube erreicht Regionen mit realistischem Entdeckungspotential aber Flussberechnungen deuten darauf hin, dass IceCube den interessanten Bereich nur ankratzen wird... und IceCube deckt nur den halben Himmel ab Blick in die Zukunft der Neutrino-Astronomie Spiering, HGF review, 2009

30 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 30 km 3 -scale Neutrino-Teleskop im Mittelmeer (auch Infrastruktur für Meeres- und geologische Forschungen) Gemeinsame Anstrengung der ANTARES, NEMO und NESTOR Pilotprojekte + Institute aus der Meeresforschung und Technologie Projekt auf der Roadmap des European Strategy Forum for Research Infrastructures (ESFRI) EU finanzierte Design Studie (2006-2009) KM3NeT Künstlerische Darstellung

31 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 31 KM3NeT: Sensitivität Wesentlich sensitiver als IceCube für Punktquellen KM3NeT (1 yr) (conservative) IceCube (1 yr) KM3NeT CDR http://www.km3net.org/publications.phpwww.km3net.org/publications.php

32 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 32 KM3NeT: Timeline now Feb 2006 Mar 2008 Oct 2009 Mar 2011 Construction phase Data taking phase TDR CDR Design Study Preparatory Phase

33 Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 33 Zusammenfassung Neutrinos liefern zu Gamma-Photonen und Protonen komplementäre Informationen über das Hochenergie-Universum ANTARES fertiggestellt und 70% von IceCube installiert Bis jetzt keine hochenergetischen, kosmischen Neutrinos identifiziert -IceCube dringt in den nächsten Jahren in Regionen mit realistischem Entdeckungspotenzial vor -KM3NeT in Design-Phase The real voyage of discovery consists not in seeking new landscapes, but in having new eyes... Marcel Proust