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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,

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

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

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

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

12 Tandemkolloquium Erlangen, 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, Alexander Kappes Universität Erlangen Institute aus 6 europäischen Ländern ANTARES Kollaboration ANTARES

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

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

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

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

37 Tandemkolloquium Erlangen, 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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