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IceCube Neutrinoforschung am Südpol Tobias Fischer-WaselsUniversität Dortmund29. Juni 2007.

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Präsentation zum Thema: "IceCube Neutrinoforschung am Südpol Tobias Fischer-WaselsUniversität Dortmund29. Juni 2007."—  Präsentation transkript:

1 IceCube Neutrinoforschung am Südpol Tobias Fischer-WaselsUniversität Dortmund29. Juni 2007

2 Übersicht Einleitung, historisches Einleitung, historisches Was ist IceCube? Was ist IceCube? Vorgänger AMANDA Vorgänger AMANDA Was macht es? Was macht es? Es leuchtet blau! Es leuchtet blau! Tscherenkovlicht Tscherenkovlicht Wie funktioniert IceCube? Wie funktioniert IceCube? DOMs DOMs PMT PMT Aufbau des Experimentes Aufbau des Experimentes Wozu das ganze? Wozu das ganze? Andere Neutrinoteleskope Andere Neutrinoteleskope

3 [6] Ich habe etwas Schreckliches getan: Ich habe ein Teilchen vorhergesagt, Ich habe ein Teilchen vorhergesagt, das nicht nachgewiesen werden kann. – Wolfgang Pauli (1900 – 1958) – Wolfgang Pauli (1900 – 1958)

4 Kosmisches Energiespektrum [1]

5 νν ν γ γ γ γ B p : Luftschauer in der Atmosphäre [2]

6 Als erstes: Bodenständige Teleskope (H.E.S.S, Magic, …) Letzte Woche: Satelitenteleskope, extraterrestrisch (COBE, WMAP, Glast, …) Jetzt: Unterirdische Observatorien (IceCube, …) [3]

7 Einige Daten Kollaboration: Deutschland, Schweden, Japan, Belgien, Kollaboration: Deutschland, Schweden, Japan, Belgien, Niederlande, Großbritannien, Neuseeland und USA Niederlande, Großbritannien, Neuseeland und USA Budget von 295 Millionen Dollar Budget von 295 Millionen Dollar Vorgänger AMANDA Vorgänger AMANDA Erforschung hochenergetischer Neutrinos Quellen? Erforschung hochenergetischer Neutrinos Quellen? km 3 Neutrinoteleskop im antarktischen Eis km 3 Neutrinoteleskop im antarktischen Eis Herstellung und Test von über 4800 OMs. Herstellung und Test von über 4800 OMs. Drilling: Versenken der Strings im Eis; bis 2,5 km Tiefe Drilling: Versenken der Strings im Eis; bis 2,5 km Tiefe Fertigstellung 2010/11: 80 Strings, 4800 OM, je String zwei Fertigstellung 2010/11: 80 Strings, 4800 OM, je String zwei IceTops für Luftschauermessung IceTops für Luftschauermessung

8 AMANDA 19 Strings, 677 analoge OMs 19 Strings, 677 analoge OMs Energien 50 GeV – 1 PeV Energien 50 GeV – 1 PeV 1993/94 AMANDA-A: 4 Strings, 1993/94 AMANDA-A: 4 Strings, 80 OM, m Tiefe 80 OM, m Tiefe 1995/96 AM-B4: 4 Strings, 1995/96 AM-B4: 4 Strings, je 20 OM, 1500 – 2000 m Tiefe je 20 OM, 1500 – 2000 m Tiefe 1997/98 AM-B10: Weitere /98 AM-B10: Weitere 6 Strings, je 36 OM, wie AM-B4 Strings, je 36 OM, wie AM-B4 1998/99 AM-B13: 3 IceCube- 1998/99 AM-B13: 3 IceCube- Teststrings, je 42 OM, ober- / Teststrings, je 42 OM, ober- / unterhalb 1500 bzw m unterhalb 1500 bzw m 1999/00 AM-II: 6 Strings, /00 AM-II: 6 Strings, 252 OM (U.a. IceCube Prototypen) OM (U.a. IceCube Prototypen) [4]

9 Energiebereich AMANDA: 50 AMANDA: 50 GeV – 1 PeV GeV – 1 PeV [5]

10 Ergebnisse: 4382 beobachtete Neutrinos Messzeit 2000 – 2004, 1001 Tag; Winkelauflösung ~ 2° Messzeit 2000 – 2004, 1001 Tag; Winkelauflösung ~ 2° [6]

11 Wie sieht man Neutrinos? Neutrinos unsichtbar Messen Sekundärteilchen Neutrinos unsichtbar Messen Sekundärteilchen Seltene WW produziert Myon (e -, τ - ) Seltene WW produziert Myon (e -, τ - ) Diese Teilchen leuchten blau Diese Teilchen leuchten blau Messung des Tscherenkovkegels gibt Aufschluss über Energie Messung des Tscherenkovkegels gibt Aufschluss über Energie

12 [7][8]

13 Tscherenkovstrahlung Polarisation von Materie durch Polarisation von Materie durch schnelle geladene Teilchen schnelle geladene Teilchen (e -, µ -, τ - ) (e -, µ -, τ - ) Konstruktive Interferenz der Wellenfronten: Tscherenkoveffekt Konstruktive Interferenz der Wellenfronten: Tscherenkoveffekt Korrelation Dichte Medium mit Energieverlust durchquerenden (relativistischen) Teilchens [9]

14 Über Intensität und Spur des Kegels Energie Über Intensität und Spur des Kegels Energie Öffnungswinkel ~ v, ungefähr gleich Öffnungswinkel ~ v, ungefähr gleich [10]

15 Analyse über Sekundärteilchen: Analyse über Sekundärteilchen: e - Nachteil: Richtungsorientierung schwer e - Nachteil: Richtungsorientierung schwer [11]

16 E µ =10 TeV Analyse über Sekundärteilchen: Analyse über Sekundärteilchen: µ - Vorteil: Spur gut zu verfolgen µ - Vorteil: Spur gut zu verfolgen [12]

17 Analyse über Sekundärteilchen: Analyse über Sekundärteilchen: τ - Detektormaße müssen > 300 m Flugstrecke sein τ - Detektormaße müssen > 300 m Flugstrecke sein ~300m for >PeV [13]

18 Energiebereich (IceCube)

19 [14]

20 180° IceCube E ~ PeV E ~ EeV 90° Horizont senkrecht [15]

21 Südpol – Amundsen-Scott Station [16] [17]

22 Gebiet des Aufbaus [18]

23 IceTop InIce Luftschauer Detektor Schwelle. ~ 300 TeV Geplant sind Strings, An jedem 60 Optische Module 17 m zwischen Modulen 125 m zwischen Strings : 1 String : 8 Strings AMANDA 19 Strings 677 Module Fertigstellung : 13 Strings Erste Daten 2005 erstes upgoing muon: 18. Juli 2005 Insgesamt: 22 Strings 52 Oberflächentanks [19]

24 IceCube Bohrung, Januar 2005 Schlauchwinde Bohrturm IceTop Behälter Warmwasser generator [20]

25 Drilling [21] [23] [24] [22] Enhanced Hot Water Drill (EHWD) Enhanced Hot Water Drill (EHWD) Loch von 0,6 m Breite, 2450 m Tiefe Loch von 0,6 m Breite, 2450 m Tiefe Bohrung mit Heißwasser, Bohrung mit Heißwasser, 4,5 MW thermisch 4,5 MW thermisch Je Loch 30 h, Kraftstoff Je Loch 30 h, Kraftstoff

26 Digitales Optisches Modul (DOM) main board (DOMMB) LED flasher board HV PMT base Hochspannungs- generator 33 cm glass sphere 25 cm PMT [25]

27 DOM, PMT (PhotoMultiplier Tube) [26]

28 PMT; Sekundärelektronenvervielfacher Photokathode, γ löst e - aus Photokathode, γ löst e - aus Beschleunigung und Auslösen weiterer e - an Dynoden … Beschleunigung und Auslösen weiterer e - an Dynoden … Spannung an Anode ~ E γ Spannung an Anode ~ E γ [27] [28]

29 Zeitplan 2004/05 ein Strings, 60 OM (Alle 17 m Tiefe ein OM) 2004/05 ein Strings, 60 OM (Alle 17 m Tiefe ein OM) 2005/06 acht Strings (IC-9 bereits 540 Module) 2005/06 acht Strings (IC-9 bereits 540 Module) 2006/07 13 Strings 2006/07 13 Strings 2007/08 ~ 18 Strings 2007/08 ~ 18 Strings 2010/11 ca. 70 – 80 Strings versenkt 2010/11 ca. 70 – 80 Strings versenkt

30 Ziele von IceCube Informationen aus großer Entfernung des Weltraums Informationen aus großer Entfernung des Weltraums Weiter Blick ins frühe Universum Weiter Blick ins frühe Universum Neutrinos gute Boten. Wegen kleines WQS wenig WW Neutrinos gute Boten. Wegen kleines WQS wenig WW Aufschluss über Dunkle Materie Aufschluss über Dunkle Materie Erforschung hochenergetischer Neutrinos Aufschluss über Erforschung hochenergetischer Neutrinos Aufschluss über Quellen (auch geladener CR) Quellen (auch geladener CR)

31 Weitere Experimente Superkamiokande (Japan) Superkamiokande (Japan) Antares, KM3NeT (Mittelmeer) Antares, KM3NeT (Mittelmeer) SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Kanada) SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Kanada) Baikal NT-200 (Sibirien, Russland) Baikal NT-200 (Sibirien, Russland)

32 SNO Alte Nickelmine, Nähe Sudbury, Ontario, Kanada Alte Nickelmine, Nähe Sudbury, Ontario, Kanada In etwa 2 km Tiefe, 12 m Durchmesser In etwa 2 km Tiefe, 12 m Durchmesser 1000 t Schweres Wasser: D 2 O, gelagert in normalem Wasser 1000 t Schweres Wasser: D 2 O, gelagert in normalem Wasser 9600 PMTs, 1999 in Betrieb 9600 PMTs, 1999 in Betrieb Solar-Problem: Weniger ν e aus der Sonne als zu erwarten Solar-Problem: Weniger ν e aus der Sonne als zu erwarten Neutrinooszillation Neutrinooszillation [29]

33 Superkamiokande ( Neutrino Detection Experiment) Im Hidagebirge, bei Kamioka, Im Hidagebirge, bei Kamioka, Japan Japan t Hochreines Wasser t Hochreines Wasser Photomultiplier (PMT) Photomultiplier (PMT) Innen- / Außenbereich: Abschirmung vor Radioaktivität aus dem Berg; Unterscheiden e - und µ - Innen- / Außenbereich: Abschirmung vor Radioaktivität aus dem Berg; Unterscheiden e - und µ - [30]

34 Baikal NT-200 km 3 Tiefseexperiment im Baikalsee, Russland km 3 Tiefseexperiment im Baikalsee, Russland Acht Strings, je 24 OMs Paare Koinzidenz Acht Strings, je 24 OMs Paare Koinzidenz [31] Dichte: 6 m Δh, ~20 m Δr Dichte: 6 m Δh, ~20 m Δr Seit 1998 Datennahme Seit 1998 Datennahme 2005 Erweiterung um 3 Strings 2005 Erweiterung um 3 Strings auf NT200+ auf NT200+

35 Mittelmeer Im Aufbau: ANTARES Im Aufbau: ANTARES Ebenfalls im Aufbau: Ebenfalls im Aufbau: KM3NeT KM3NeT km 3 Volumen km 3 Volumen Je Einheit PMT-Trios Je Einheit PMT-Trios Koinzidenz: Koinzidenz: Rauschunterdrückung Rauschunterdrückung [32]

36 Quellen [1], [3], [5], [6], [14], [15], [19], [24]: Dr. J. Becker [1], [3], [5], [6], [14], [15], [19], [24]: Dr. J. Becker [8], [10], [17], [18], [21], [23] : IceCube Kollaboration [8], [10], [17], [18], [21], [23] : IceCube Kollaboration [2]: Hubble [2]: Hubble [4]: eskola.hfd.org [4]: eskola.hfd.org [7]: DESY [7]: DESY [9]: imgc.hr [9]: imgc.hr [11], [12], [13]: Cael Hanson 600 Down [11], [12], [13]: Cael Hanson 600 Down [16]: Wikipedia.org [16]: Wikipedia.org [20], [22], [25]: Bill Edwards [20], [22], [25]: Bill Edwards [26], [28]: Chiba Daigaku [26], [28]: Chiba Daigaku [27]: molekularexpressions.com [27]: molekularexpressions.com [29]: antwrp.gsfc.nasa.gov [29]: antwrp.gsfc.nasa.gov [30]: hfd.hr [30]: hfd.hr [31]: baikalweb.jinr.ru [31]: baikalweb.jinr.ru [32]: antares.in2p3.fr [32]: antares.in2p3.fr Vielen Dank für die freundliche Unterstützung an Dr. Julia Becker Vielen Dank für die freundliche Unterstützung an Dr. Julia Becker


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