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Veröffentlicht von:Athala Gent Geändert vor über 10 Jahren
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Suche nach kosmischen Neutrinos auf dem Grund des Mittelmeeres
Alexander Kappes Physikalisches Institut Universität Erlangen-Nürnberg Tandemkolloquium Erlangen, Kosmische Strahlung Kosmische Neutrinos Das Neutrino-Teleskop ANTARES Zukünftige Neutrino-Teleskope
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kosmische Strahlung Kosmische Strahlung Erstmals 1912 von Victor Hess während eines Ballonexperiments beobachtet Besteht bei hohen Energien dominant aus: Protonen und a-Teilchen < 1 TeV Satelliten / Ballonexp. > 1 TeV Luftschauerdetektoren (u.a. KASCADE, AGASA, Pierre-Auger) Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Suche nach Quellen von hochenergetischer kosmischer Strahlung
kosmische Strahlung Suche nach Quellen von hochenergetischer kosmischer Strahlung für E < 1019 eV wegen Ablenkung im galaktischen Magnetfeld keine Richtungsinformation in diesem Energiebereich keine Identifikation von Quellen möglich bei Energien E > 1019 eV begrenzte Reichweite durch Wechselwirkung mit Mikrowellenhintergrund Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Kosmische g-Strahlung
kosmische Strahlung Kosmische g-Strahlung H.E.S.S. Čerenkov-Teleskope (Namibia) RXJ 1713 with H.E.S.S.: (Galaktischer Supernovarest) Erste TeV g-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 Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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ne : nm : nt ≈ 1 : 2 : 0 N (n) ≈ N (n)
kosmische Neutrinos 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(g) → p + X m + nm e + ne + nm Neutrino-Oszillation führt zu ne : nm : nt ≈ 1 : 1 : 1 ne : nm : nt ≈ 1 : 2 : 0 N (n) ≈ N (n) Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Nachweis von kosmischen Neutrinos
kosmische Neutrinos Nachweis von kosmischen Neutrinos Nachweis erfordert große Detektoren Nutzung natürlich vorkommender Medien (Eis, Wasser) Nachweis über Čerenkov-Strahlung von m oder Schauerteilchen Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Allgemeines Nachweisprinzip
kosmische Neutrinos Allgemeines Nachweisprinzip Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Neutrino-Teleskope weltweit
kosmische Neutrinos Neutrino-Teleskope weltweit ANTARES (Mittelmeer) Medium: Salzwasser; im Aufbau Baikal (Baikal-See) Medium: Süßwasser; Daten seit 1991 NESTOR (Mittelmeer) Medium: Salzwasser; im Aufbau Dumand (Hawaii) Medium: Salzwasser; Pionierexperiment eingestellt AMANDA (Südpol) Medium: Eis; Daten seit 1997 Forschungs- und Entwicklungsprojekt für km3: NEMO (Mittelmeer) Zukunftsprojekte (km3): IceCube (Südpol), KM3NeT (Mittelmeer) Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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kosmische Neutrinos Messung des hochenergetischen atmosphärischen Neutrino-Spektrums durch AMANDA Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Physik mit Neutrino-Teleskopen
kosmische Neutrinos 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 (mc ≈ 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 c + c → n + X Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Beispiel: Suche nach Punktquellen
kosmische Neutrinos Beispiel: Suche nach Punktquellen Bis jetzt noch keine Quelle hochenergetischer kosmischer Neutrinos entdeckt Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Warum ein Teleskop auf dem Grund des Mittelmeers?
ANTARES Warum ein Teleskop auf dem Grund des Mittelmeers? Himmelsabdeckung komplementär zu AMANDA Vorteil: Wasser ist gutes Čerenkov-Medium homogen geringe Lichtstreuung Nachteil: optischer Untergrund durch 40K-Zerfall + Biolumineszenz Abschirmung des Tageslichts (Absorptionslänge ≈ 50 m) Abschirmung von atmosphärischen Myonen Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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ANTARES Kollaboration
20 Institute aus 6 europäischen Ländern Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Der ANTARES-Detektor Herausforderungen: Druck: 240 bar Salzwasser
schwer zugänglich Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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akustischer Auslösemechanismus
ANTARES Der ANTARES-String Stockwerk Befestigung String-Kabel akustischer Auslösemechanismus Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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ø 43 cm, 600 bar Optisches Modul optisches Modul B-Abschirmung
ANTARES Optisches Modul optisches Modul Hamamatsu 10‘‘ PM Quanteneff.: >20% (360<l<460 nm) B-Abschirmung Amplitudenauflösung (Labormessung) ø 43 cm, 600 bar Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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See-Operationen Dezember 2002 Februar 2003
ANTARES See-Operationen Dezember 2002 Installation der Verzweigungsbox Februar 2003 Installation der Prototyp-Strings März 2003 Verkabelung mit U-Boot Juli 2003 Bergung der Strings Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Daten von den Prototyp-Strings
ANTARES 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 Baseline rate 0.4 Sekunden 3.5 Monate Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis
ANTARES Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis
ANTARES Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis 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 Rechenzentrum Lyon Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Online-Filter: Teilchen- und Untergrund-Raten
ANTARES Online-Filter: Teilchen- und Untergrund-Raten Teilchenraten Myonen aus Neutrinos O(10-5/ s) atmosph. Myonen O(103/ s) Untergrundraten 40K-Zerfall, Biolumineszenz Rate pro PM: 60 – 200 kHz Datenrate durch Untergrund dominiert Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Online-Filter: Datenraten und Strategie
ANTARES 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 Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Online-Filter: Filterstufen
ANTARES Online-Filter: Filterstufen Stufe 1: Koinzidenzen auf einem Stockwerk (Dt < 20 ns) oder großes Einzelsignal (> 2.4 SPE) Stufe 2: Kausalitätsbedingung Dt < n / c · Dx Stufe 3: akzeptiert wenn genügend kausal verknüpfte Treffer Effizienz cos qc ≈ 1 / n Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Optimierung des Online-Filter
ANTARES Optimierung des Online-Filter Kausalitätsbedingung: Dt < n / c · Dx Dxmin = Minimum der Abstände aller Trefferpaare in einem akzeptierten Ereignis Myonen E > 10 GeV Untergrund 100 kHz Schnitt Dxmin < 60 m: Untergrundunterdrückung ≈ 97%, Effizienzverlust ≈ 1.5% Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Ereignisrekonstruktion: Myonen
ANTARES Ereignisrekonstruktion: Myonen Signatur: Čerenkov-Photonen von m-Spur Informationen: Photomultiplier-Ort und -Ausrichtung, Signalamplitude und Zeit, Eigenschaften der Čerenkov-Strahlung Spur-Rekonstruktion Energie-Rekonstruktion Dq < 0.3o (E > 10 TeV) D(log E) = 0.3 (E > 1 TeV) Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Ereignisrekonstruktion: Schauer
ANTARES Ereignisrekonstruktion: Schauer Signatur: „Punktquelle“ von Čerenkov-Photonen Informationen: PM Ort / Ausrichtung, Signalamplitude / Zeit, Eigenschaften der Čerenkov-Strahlung Winkelauflösung: Energieauflösung: D(log E) ≈ 0.23 Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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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 Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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km3- große Čerenkov-Teleskope
zukünftige n-Teleskope km3- große Čerenkov-Teleskope km3-Detektoren nötig, um Physikpotential von Neutrino-Teleskopen voll auszuschöpfen IceCube (Südpol): Gelder bewilligt Einfrieren der ersten 4 Strings diesen Polarsommer Installation des gesamten Detektors bis 2010 KM3NeT (Mittelmeer): Gemeinsames Projekt der europäischen n-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“ Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Alternative Teilchendetektion
zukünftige n-Teleskope Alternative Teilchendetektion Neutrinos mit E > 1 EeV mit „klassischen“ Konzepten nicht erreichbar Alternativen: u.a. Radio-Detektion, akustische Detektion Akustische Teilchendetektion: thermoakustisches Modell lokale „Wassererhitzung“ durch Teilchenschauer erzeugt Druckpuls Bipolare Form mit Amplitude O(1 mPa · E / PeV) in 400 m Abstand Reichweite von Schall in Wasser etwa 10 mal größer als von Licht Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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F&E zur akustischen Teilchendetektion in Erlangen
zukünftige n-Teleskope 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 . . . Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Testmessungen am Protonenstrahl
zukünftige n-Teleskope Testmessungen am Protonenstrahl Protonenstrahl erzeugt in Wasser ähnlichen Schauer wie Neutrino Ziel: Test von Hydrophonen, detaillierte Vermessung des Schallsignals z.B.: Signalamplitude sollte bei 4oC Wassertemperatur verschwinden 180 MeV Protonen Beweis für thermoakustische Signalerzeugung Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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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 km3 Neutrino-Teleskope in Planung (KM3NeT) / Aufbau (IceCube) akustische Teilchendetektion vielversprechende Alternative zu optischen Teleskopen für En > 1 EeV Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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E N D E
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kosmische Strahlung Kosmische Strahlung Erstmals 1912 von Victor Hess während einer Ballonfahrt beobachtet Besteht hauptsächlich aus: Protonen (85%), a-Teilchen (12%) nur ca. 2% Elektronen GZK-Cutoff p + g3K → D → p + N < 1 TeV Satelliten/Ballonexp. > 1 TeV Luftschauerdetektoren (Kaskade, AGASA, Fly‘s Eye, Pierre-Auger-Observatory) irdische Beschleuniger: LHC Strahlenergie ~1013 eV Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Kosmische g-Strahlung
kosmische Strahlung Kosmische g-Strahlung Elektron-Synchrotronstrahlung, inverse Compton-Streuung, p0-Zerfall Integral HESS MAGIC Cangaroo Whipple XMM, Chandra EGRET, GLAST Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Beschleunigungsmechanismen
kosmische Strahlung Beschleunigungsmechanismen Fermi-Beschleunigung (erste Überlegungen 1949 von Fermi): Beschleunigung an Schockfronten, z.B. von Supernovae (SN) DE b _ bis ca. 101315 eV dN / dE E-g Mechanismen für E > 1015 eV noch nicht verstanden Emax L·B Teilchen müssen in Beschleunigungsregion über lange Zeit gehalten werden Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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Sensitivität von Neutrino-Teleskopen auf diffusen Fluß
kosmische Neutrinos Sensitivität von Neutrino-Teleskopen auf diffusen Fluß Bis jetzt noch keine extra-solaren Neutrinos beobachtet ! Tandemkolloquium Erlangen, Alexander Kappes Universität Erlangen
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