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Suche nach kosmischen Neutrinos auf dem Grund des Mittelmeeres Alexander Kappes Physikalisches Institut Universität Erlangen-Nürnberg Kosmische Strahlung.

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Präsentation zum Thema: "Suche nach kosmischen Neutrinos auf dem Grund des Mittelmeeres Alexander Kappes Physikalisches Institut Universität Erlangen-Nürnberg Kosmische Strahlung."—  Präsentation transkript:

1 Suche nach kosmischen Neutrinos auf dem Grund des Mittelmeeres Alexander Kappes Physikalisches Institut Universität Erlangen-Nürnberg Kosmische Strahlung Kosmische Neutrinos Das Neutrino-Teleskop ANTARES Zukünftige Neutrino-Teleskope Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004

2 Alexander Kappes Universität Erlangen 2 Kosmische Strahlung Erstmals 1912 von Victor Hess während eines Ballonexperiments beobachtet Besteht bei hohen Energien dominant aus: Protonen und -Teilchen kosmische Strahlung < 1 TeV Satelliten / Ballonexp. > 1 TeV Luftschauerdetektoren (u.a. KASCADE, AGASA, Pierre-Auger)

3 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 3 Suche nach Quellen von hochenergetischer kosmischer Strahlung für E < 10 19 eV wegen Ablenkung im galaktischen Magnetfeld keine Richtungsinformation in diesem Energiebereich keine Identifikation von Quellen möglich bei Energien E > 10 19 eV begrenzte Reichweite durch Wechselwirkung mit Mikrowellenhintergrund kosmische Strahlung

4 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 4 Kosmische -Strahlung RXJ 1713 with H.E.S.S.: (Galaktischer Supernovarest) Erste TeV -Quelle mit aufgelöster Morphologie Struktur in guter Übereinstimmung mit der im Röntgenbereich Demonstriert eindeutig Beschleunigung in Supernova-Hülle Quelle lokalisierbar nur geringe Reichweite (100 Mpc für E 10 TeV) unterscheidet nicht zwischen Hadron- und Elektron-Beschleunigung kosmische Strahlung H.E.S.S. Čerenkov-Teleskope (Namibia)

5 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 5 Kosmische Neutrinos Neutrinos als Botenteilchen: keine Ablenkung in Magnetfeldern Identifikation der Quelle Beweis für Hadronbeschleunigung (fast) keine Wechselwirkung mit Materie große Reichweite schwer nachweisbar große Detektoren erforderlich Produktion: Reaktion beschleunigter Protonen mit interstellaren Medium, 3K Mikrowellen-Hintergrundstrahlung oder Synchrotronstrahlung p + p( ) + X + e + e + Neutrino-Oszillation führt zu e : : 1 : 1 : 1 kosmische Neutrinos e : : 1 : 2 : 0 N ( ) N ( )

6 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 6 Nachweis von kosmischen Neutrinos Nachweis erfordert große Detektoren Nutzung natürlich vorkommender Medien (Eis, Wasser) Nachweis über Čerenkov-Strahlung von oder Schauerteilchen kosmische Neutrinos

7 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 7 Allgemeines Nachweisprinzip kosmische Neutrinos

8 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 8 Neutrino-Teleskope weltweit kosmische Neutrinos AMANDA (Südpol) Medium: Eis; Daten seit 1997 NESTOR (Mittelmeer) Medium: Salzwasser; im Aufbau ANTARES (Mittelmeer) Medium: Salzwasser; im Aufbau Baikal (Baikal-See) Medium: Süßwasser; Daten seit 1991 Forschungs- und Entwicklungsprojekt für km 3 : NEMO (Mittelmeer) Zukunftsprojekte (km 3 ): IceCube (Südpol), KM3NeT (Mittelmeer) Dumand (Hawaii) Medium: Salzwasser; Pionierexperiment 1995 eingestellt

9 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 9 Messung des hochenergetischen atmosphärischen Neutrino-Spektrums durch AMANDA kosmische Neutrinos

10 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 10 Physik mit Neutrino-Teleskopen Identifikation und Vermessung von Neutrino-Quellen Diffuser Neutrino-Fluß Suche nach kalter dunkler Materie in Form von Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) guter Kandidat: Neutralino (m 50 GeV – 1 TeV) Einfang in Gravitationspotential (z.B.: Erde, Sonne, Galaktisches Zentrum) Suche nach exotischen Teilchen: z.B. Nukleorite, magnetische Monopole Entdeckung von bisher Unbekanntem kosmische Neutrinos + + X

11 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 11 Beispiel: Suche nach Punktquellen kosmische Neutrinos Bis jetzt noch keine Quelle hochenergetischer kosmischer Neutrinos entdeckt

12 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 12 Himmelsabdeckung komplementär zu AMANDA Vorteil: Wasser ist gutes Čerenkov-Medium homogen geringe Lichtstreuung Nachteil: optischer Untergrund durch 40 K-Zerfall + Biolumineszenz Abschirmung des Tageslichts (Absorptionslänge 50 m) Abschirmung von atmosphärischen Myonen Warum ein Teleskop auf dem Grund des Mittelmeers? ANTARES

13 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 13 20 Institute aus 6 europäischen Ländern ANTARES Kollaboration ANTARES

14 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 14 Der ANTARES-Detektor ANTARES Herausforderungen: Druck: 240 bar Salzwasser schwer zugänglich

15 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 15 Der ANTARES-String ANTARES akustischer Auslösemechanismus Stockwerk Befestigung String-Kabel

16 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 16 Optisches Modul ANTARES Hamamatsu 10 PM Quanteneff.: >20% (360 20% (360< <460 nm) B-Abschirmung ø 43 cm, 600 bar optisches Modul Amplitudenauflösung(Labormessung)

17 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 17 Dezember 2002 Installation der Verzweigungsbox See-Operationen ANTARES Februar 2003 Installation der Prototyp-Strings Juli 2003 Bergung der Strings März 2003 Verkabelung mit U-Boot

18 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 18 Daten von den Prototyp-Strings Erfolgreiche Tests der Installationsprozeduren Langzeit-Daten des optischen Untergrunds aufgenommen aber auch Probleme: beschädigte Glasfaser + Wasserleck keine Myon-Rekonstruktion möglich + Ausfall eines Stockwerks ANTARES 0.4 Sekunden 3.5 Monate Baseline rate

19 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 19 Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis ANTARES

20 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 20 Online: –Umwandlung der Čerenkov-Photonen in elektrische Signale mit Photomultipliern –Digitalisierung der elektrischen Signale –Transport an Land –Verarbeitung auf Computerfarm: Kalibration der Daten (Amplitude, Zeitpunkt, Ort) Filterung der Daten –Speichern der Daten Offline: –Klassifizierung der Ereignisse –Rekonstruktion der Ereignisse –Physik-Analyse Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis ANTARES Rechenzentrum Lyon

21 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 21 Online-Filter: Teilchen- und Untergrund-Raten Teilchenraten Myonen aus NeutrinosO(10 -5 / s) atmosph. Myonen O(10 3 / s) ANTARES Untergrundraten 40 K-Zerfall, Biolumineszenz Rate pro PM: 60 – 200 kHz Datenrate durch Untergrund dominiert

22 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 22 Online-Filter: Datenraten und Strategie Datenrate vom Detektor (all-data-to-shore): ~ 1 GB / s Datenratenlimit: ~ 1 MB / s (30 TB pro Jahr) Prozessierung der Daten auf Computerfarm ( ~ 100 PCs) Aufgabe des Filters: Reduktion des Untergrunds bei möglichst hoher Signaleffizienz Filterstrategie: –Signalereignisse: PM-Signale zeitlich und räumlich korreliert –Untergrund: PM-Signale zeitlich und räumlich statistisch verteilt ANTARES

23 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 23 Online-Filter: Filterstufen Stufe 1: Koinzidenzen auf einem Stockwerk ( t 2.4 SPE) Stufe 2: Kausalitätsbedingung t < n / c · x Stufe 3: akzeptiert wenn genügend kausal verknüpfte Treffer ANTARES Effizienz cos c 1 / n

24 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 24 Optimierung des Online-Filter Kausalitätsbedingung: t < n / c · x x min = Minimum der Abstände aller Trefferpaare in einem akzeptierten Ereignis ANTARES Myonen E > 10 GeV Untergrund 100 kHz Schnitt x min < 60 m: Untergrundunterdrückung 97%, Effizienzverlust 1.5%

25 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 25 Ereignisrekonstruktion: Myonen Signatur:Čerenkov-Photonen von -Spur Informationen: Photomultiplier-Ort und -Ausrichtung, Signalamplitude und Zeit, Eigenschaften der Čerenkov-Strahlung ANTARES Spur-Rekonstruktion Energie-Rekonstruktion 10 TeV) (log E) = 0.3 (E > 1 TeV)

26 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 26 Ereignisrekonstruktion: Schauer Winkelauflösung: Energieauflösung: (log E) 0.23 ANTARES Signatur:Punktquelle von Čerenkov Photonen Informationen: PM Ort / Ausrichtung, Signalamplitude / Zeit, Eigenschaften der Čerenkov-Strahlung

27 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 27 ANTARES: weitere Planung Modifikationen des Designs zur Behebung der Schwachstellen vorgenommen Anfang 2005 Test von Mechanik + Kabel mit vollem String ohne Elektronik Installation des Detektors ab Frühjahr 2005 – Anfang 2007 Massive Beiträge der Erlanger Gruppe bei Aufbau und Betrieb ANTARES

28 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 28 km 3 - große Čerenkov-Teleskope IceCube (Südpol): –Gelder bewilligt –Einfrieren der ersten 4 Strings diesen Polarsommer –Installation des gesamten Detektors bis 2010 KM3NeT (Mittelmeer): –Gemeinsames Projekt der europäischen -Teleskop-Gruppen –Start einer 3-jährigen EU-finanzierten Design Study (Gesamtvolumen 25 MEuro) in etwa einem Jahr –Koordination in Erlangen –Geplanter Baubeginn kurze Zeit nach Abschluß der Design Study zukünftige -Teleskope km 3 -Detektoren nötig, um Physikpotential von Neutrino-Teleskopen voll auszuschöpfen

29 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 29 Alternative Teilchendetektion Neutrinos mit E > 1 EeV mit klassischen Konzepten nicht erreichbar Alternativen: u.a. Radio-Detektion, akustische Detektion zukünftige -Teleskope Akustische Teilchendetektion: thermoakustisches Modell lokale Wassererhitzung durch Teilchenschauer erzeugt Druckpuls Bipolare Form mit Amplitude O(1 Pa · E / PeV) in 400 m Abstand Reichweite von Schall in Wasser etwa 10 mal größer als von Licht

30 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 30 F&E zur akustischen Teilchendetektion in Erlangen Zielsetzung: Entwicklung eines tragfähigen Konzepts für die akustische Neutrino-Detektion bei Energien > 1 EeV Erlangen einer der weltweit führenden Gruppen Mittelfristig: Bestückung von ANTARES mit akustischen Modulen Aktivitäten: –Entwicklung/Test von Hydrophonen –Testmessungen am Protonenstrahl –Kalibrationsquellen –Signalfilter und Korrelationsalgorithmen –Detektorsimulation –... zukünftige -Teleskope

31 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 31 Testmessungen am Protonenstrahl Protonenstrahl erzeugt in Wasser ähnlichen Schauer wie Neutrino Ziel: Test von Hydrophonen, detaillierte Vermessung des Schallsignals z.B.: Signalamplitude sollte bei 4 o C Wassertemperatur verschwinden zukünftige -Teleskope Beweis für thermoakustische Signalerzeugung 180 MeV Protonen

32 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 32 Zusammenfassung Neutrino-Astronomie wichtiges Instrument zur Klärung fundamentaler astrophysikalischer Fragestellungen Das ANTARES-Neutrino-Teleskop ist zur Zeit im Aufbau und wird seine Endausbaustufe 2007 erreichen Erfolgreicher Test der Installations- / Bergungsprozeduren + wichtige Daten mit Prototyp (finales Detektordesign) genommen Entscheidende Beiträge der Erlanger ANTARES-Gruppe: Online-Filter, Rekonstruktion, Simulation, Aufbau & Betrieb km 3 Neutrino-Teleskope in Planung (KM3NeT) / Aufbau (IceCube) akustische Teilchendetektion vielversprechende Alternative zu optischen Teleskopen für E > 1 EeV

33 E N D E

34 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 34 Kosmische Strahlung Erstmals 1912 von Victor Hess während einer Ballonfahrt beobachtet Besteht hauptsächlich aus: Protonen (85%), -Teilchen (12%) nur ca. 2% Elektronen kosmische Strahlung < 1 TeV Satelliten/Ballonexp. > 1 TeV Luftschauerdetektoren (Kaskade, AGASA, Flys Eye, Pierre-Auger-Observatory) irdische Beschleuniger: LHC Strahlenergie ~10 13 eV GZK-Cutoff p + + N

35 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 35 Kosmische -Strahlung Elektron-Synchrotronstrahlung, inverse Compton-Streuung, 0 -Zerfall kosmische Strahlung Integral XMM, Chandra HESS MAGIC Cangaroo Whipple EGRET, GLAST

36 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 36 Beschleunigungsmechanismen Fermi-Beschleunigung (erste Überlegungen 1949 von Fermi): Beschleunigung an Schockfronten, z.B. von Supernovae (SN) E bis ca. 10 13 15 eV dN / dE E - Mechanismen für E > 10 15 eV noch nicht verstanden kosmische Strahlung E max L·B Teilchen müssen in Beschleunigungsregion über lange Zeit gehalten werden

37 Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Universität Erlangen 37 Sensitivität von Neutrino-Teleskopen auf diffusen Fluß kosmische Neutrinos Bis jetzt noch keine extra-solaren Neutrinos beobachtet !


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