KAT Bericht zur Astroteilchenphysik Astrophysik Kosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik Christian Spiering KET-Strategietreffen 26.10.2010, Dortmund

KAT-Mitglieder Dunkle Materie Josef Jochum U. Tübingen Neutrinomasse Christian Weinheimer U. Münster LE-Neutrinoastrophysik Caren Hagner U. Hamburg Kosmische Strahlung Karl-Heinz Kampert U. Wuppertal Gamma-Astrononomie Christian Stegmann U. Erlangen HE-Neutrinoastrophysik Christian Spiering DESY, Zeuthen Gravitationswellen Karsten Danzmann AEI, Hannover Nukleare Astrophysik Roland Diehl MPI Garching AT Theorie Günter Sigl U. Hamburg

ApPEC und KAT: Roadmaps

AT in Europa und Deutschland 2007 2008 2010

AT in Europa Die Aspera Roadmap und die „Magnificent Seven“ Dunkle Materie Neutrinomasse Niederenergie- Neutrinoastrophysik Kosmische Strahlung Gamma-Astrononomie Hochenergie- Neutrinoastronomie Gravitationswellen Frankreich, Italien und Deutschland auf allen 7 Linien aktiv Update der Roadmap zum Sommer 2011

AT zwischen Teilchen- und Astrophysik Particle Physics Astrophysics Double Beta Dark Matter LAGUNA KM3NeT Auger CTA E.T. Majorana nature (  leptogenesis)  mass  astronomy  oscillations Q.G., TD, … indirect DM and other exotic particles Cosmology SUSY, KK, … Astrophys. Indirect DM Q.G, … proton decay  astronomy (solar, SN,..) dark matter accelerator beam  oscillations (hierarchy?) Astrophysics Q.G., TD, … GZK physics cross sections Test Relativity Extreme objects

AT in Deutschland

AT in Deutschland: Universitäten 27 Universitäten mit knapp 90 Professuren, die ganz oder teilweise der AT gewidmet sind. In den letzten Jahren 8 neue Professuren, die zu 100% „Teilchen-AT“ betreiben (3 neu, 5 Umwidmungen), plus 3 neue Professuren auf dem Gebiet Gravitationswellen (2 neu, 1 Umwidmung) Überproportional hohe Rate an Nachwuchs-gruppen Verbundforschung 2008-2011: 12.8 M€ Hamburg ´Bremen Hannover HU Berlin Münster Fulda Potsdam Bielefeld Dortmund Bochum Wuppertal Dresden Köln Siegen Bonn Aachen Frankfurt Jena Mainz Würzburg Heidelberg Erlangen Karlsruhe TU München Tübingen Freiburg LU München

AT in Deutschland: Helmholtz Max-Planck DESY, Hamburg DESY, Zeuthen plus 50% für AT ! MPI AEI Hannover MPI AEI Potsdam/Golm FZD Rossendorf MPIfR Bonn (zukünftig Helmholtz, Nukleare Astrophysik) GSI Darmstadt (Nukleare Astrophysik) MPIK Heidelberg 2 (4) Helmholtz-Zentren 4 (6) Max-Planck-Institute KIT Karlsruhe MPI-Physik München MPE Garching MPP Garching

AT in Deutschland: SFBs & TR SFB Teilchen Strings und frühes Universum TR Gravitationswellen TR Dark Universe TR Neutrinos and Beyond

In Sicht: Helmholtz Astroteilchenallianz 2011-2016: 9 M€

AT in Deutschland im Detail

XENON CRESST EDELWEISS EURECA Dark Matter 14 FTE Rekord-Limit mit XENON100 nach nur 11 Tagen. 100 Tage-Resultat bald. seit 2009 Münster CRESST EDELWEISS seit 2010 Mainz MPI-K Heidelberg seit 2009 KIT Karlsruhe EURECA TU München Tübingen MPI-Physik München 29 FTE

Dark Matter: Empfehlung Wir empfehlen für die nächsten 3 Jahre die gleichgewichtige Förderung beider Technologie-Linien, XENON und EURECA. Die auf dem gesamten Gebiet engagierten deutschen Gruppen haben sich auf Initiative des KAT zu einer Strategiediskussion getroffen und in deren Ergebnis einen Arbeitskreis Dunkle Materie gegründet. Sie werden einen gemeinsamen Antrag für die nächste Förderperiode der Verbundforschung stellen. Ziel der Förderung soll sein, XENON beim Aufbau von XENON1t zu unterstützen und EURECA bei den vorbereitenden Arbeiten zu fördern. Die Förderung des eigentlichen Aufbaus von EURECA bliebe dann der nächsten Förderperiode vorbehalten.

KATRIN GERDA Neutrinomassen COBRA SNO+ Direkt: 60 FTE Doppel-Beta: Hamburg KATRIN 60 FTE Münster Fulda Dortmund Doppel-Beta: Inbetriebnahme Phase-I (15 kg) Dresden Bonn GERDA 29 FTE Mainz COBRA MPI-K Heidelberg Erlangen KIT Karlsruhe Dresden, Dortmund, Hamburg, Erlangen ab Ende 2010 TU München SNO+ Tübingen Dresden MPI-P München

Neutrinomassen: Empfehlung Deutschland sollte seine führende Rolle bei Neutrinomassen-experimenten beibehalten und verteidigen. Das KATRIN-Experiment zur direkten Bestimmung der Neutrino-masse sollte sein Empfindlichkeitspotential maximal ausschöpfen. Wenn die angestrebte Untergrundreduktion bei GERDA I und II erfolgreich ist, sollte der mögliche Ausbau auf eine Tonne Targetmaterial im Rahmen eines weltweiten Germanium-experiments unterstützt werden. KATRIN und GERDA sollten wie bisher über die Verbundforschung gefördert werden. Die Unterstützung von F&E-Projekten (z.B. durch die DFG) wird als wichtige Investition in die Zukunft angesehen. Die Berechnung der Kernmatrixelemente zum doppelten Betazerfall ist zentral für die Interpretation der Messergebnisse und sollte unterstützt werden.

Protonzerfall und Neutrino-Astrophysik bei niedrigen Energien Hamburg USA/Japan: 300-500 kt H2O Europa: 50 kt Szintillator „LENA“ ? LAGUNA (FP7 Design Study) TU München Vorreiter Interessiert: Aachen, Hamburg, Tübingen + HGF Gegenwärtig in D. 16 FTE Hohe Kompetenz deutschlandweit (Borexino, Double Chooz) In Entstehung: White Paper Aachen Tübingen TU München

LAGUNA FP7 design study MEMPHYS LENA GLACIER 50 m 600 kton water 50 kt scintillator 50 m GLACIER 100 kton liquid argon

Argon Wasser Szintillator

Teilchenphysik auf der Megatonnen-Skala Proton decay: improve sensitivity by > factor 10 and test a new class of Supersymmetry models Galactic Supernova: 104- 105 events Incredibly detailed information on the early SN phase Diffuse flux from past SN: probe cosmological star formation rate Solar neutrinos: details of the Standard Solar Model determined with percent accuracy Atmospheric neutrinos: high statistics would improve knowledge neutrino mixing and provide unique information on the neutrino mass hierarchy Geo-neutrinos: improve understanding of the Earth interior Indirect WIMP search Neutrinos from accelerators over a long baseline: neutrino properties

Protonzerfall und Neutrino-Astrophysik bei niedrigen Energien: Empfehlung Die Physik mit einem „Megaton-scale“-Detektor stellt eine fruchtbare Mischung aus fundamentalen Fragen und Präzisionsmessungen bereits etablierter Effekte dar. Deutschland sollte mittel- und langfristig auf diesem Gebiet präsent sein. Aus der Sicht des KAT liegt die weitere Konzentration auf die Szintillator-Option („LENA“) nahe, unter Nutzung des bestehenden Erfahrungsvorsprungs aus Borexino und Double Chooz. Eine Einbeziehung in die anstehende Runde der Verbundforschung erscheint ohne deren beträchtliche Erhöhung schwer vorstellbar. Umso mehr sollte aber dieses Feld auf dem langfristigen „Radarschirm“ auftauchen. Auch für Helmholtz-Institute stellt das Gebiet eine interessante strategische Option dar. Um in drei Jahren überhaupt eine Option für eine wichtige deutsche Rolle zu haben, ist eine Verbreiterung des F&E-Programms notwendig. Wegen der long-baseline-Option schlägt das KAT eine schnelle Einbeziehung der Teilchen-Community in die Diskussion vor.

AUGER JEM-EUSO AMS Kosmische Strahlung Bodengebunden: Satelliten: Hamburg Bodengebunden: (Theorie) AUGER 78 FTE Wuppertal Siegen Satelliten: Frankfurt Aachen JEM-EUSO Würzburg 6 FTE Erlangen MPI-P München, Tübingen, Würzburg, Hamburg KIT Karlsruhe Tübingen MPI-Physik München AMS Aachen, KIT, 12 FTE

Kosmische Strahlung: Empfehlung Auger ist das internationale Flagschiffprojekt für höchstenergetische kosmische Strahlen. Nach den USA ist Deutschland der wichtigste Partner. Auch bei den Plänen zur Erweiterung des Observatoriums durch Auger-Nord hat Deutschland eine Führungsposition inne. Ein Antrag auf Helmholtz-Zusatzinvestitionen von 16 M€ wurde gestellt. Wir empfehlen, die Arbeiten am Pierre Auger-Observatorium durch die BMBF-Verbundforschung zu fördern, um den Universitäten zu erlauben, die bisherige erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem KIT und innerhalb der Kollaboration fortzusetzen. Dabei sollte Auger-Nord in die bisherige Förderung des Pierre Auger-Observatoriums eingebettet werden.

CTA Gamma- Astronomie H.E.S.S. MAGIC VERITAS INTEGRAL USA bodengebunden Satelliten ( DLR) Hamburg HU Berlin H.E.S.S. DESY INTEGRAL Potsdam Dortmund Bochum MAGIC USA VERITAS Würzburg MPI-K Heidelberg DESY/Potsdam Lstw. Heidelberg Erlangen Tübingen CTA MPI-Physik München 92 FTE

Gamma- Astronomie Empfehlung CTA ist ein internationales Projekt mit einer klaren deutschen Führungsposition und Kernbestandteil einer Multi-Messenger-Initiative. CTA sollte zusammen mit HESS und MAGIC in die nächste Runde der Verbundforschung aufgenommen werden. Zur Gewährleistung der deutschen Führungsrolle sollte Deutschland insgesamt bereit sein, sich mit etwa einem Viertel der Kosten am Bau von CTA zu beteiligen. Daraus ergäbe sich eine Summe von etwa 45-50 M€ einschließlich der Beiträge der Max-Planck-Gesellschaft und des DESY. Dieser Beitrag würde Deutschlands historischer und aktuell-wissenschaftlicher Rolle in der Gamma-Astrophysik gerecht werden. Er würde die Führungsposition in einem internationalen Spitzenprojekt garantieren, das eine Fülle von astrophysikalischen Resultaten garantiert und darüber hinaus möglicherweise zur Lösung fundamentaler Fragen wie der nach der Natur der dunklen Materie beitragen kann.

Neutrinoastronomie bei hohen Energien IceCube HU Berlin 54 FTE DESY Wuppertal Bochum Dortmund Bonn ANTARES Aachen 20 FTE Mainz MPI-K Heidelberg Erlangen KM3NeT Tübingen Erlangen, Tübingen, …

Neutrinoastronomie bei hohen Energien Empfehlung IceCube befindet sich gegenwärtig in der Phase größten Sensitivitätszuwachses, muss in dieser entscheidenden Periode alle Anstrengungen auf die Analyse der Daten konzentrieren und sollte dafür, auch im Rahmen der Verbundforschung, ausreichende Förderung erhalten. Ein ähnliches Argument gilt für ANTARES. Eine Entscheidung für eine deutsche Beteiligung an KM3NeT sollte unter anderem von den Ergebnissen von IceCube in den kommenden drei Jahren abhängen. Falls IceCube keinerlei Quellhinweise sieht, müssten aus Sicht des KAT die wissenschaftliche Begründung für eine deutsche Teilnahme an KM3NeT neu diskutiert werden. Wichtig ist, die Teilnahme-Option bis dahin offen zu halten und eine vorläufige Teilnahme auf dem Design- und Prototyp-Niveau zu ermöglichen. Falls die Neutrino-Astronomie bei hohen Energien eine Zukunft hat, läge angesichts der starken deutschen Tradition auf diesem Gebiet eine Weiterführung nahe. Dann würden sich auch andere deutsche Universitäten KM3NeT bzw. einem globalen Neutrino-Observatorium anschließen und damit die deutschen Aktivitäten bei IceCube und KM3NeT verschmelzen.

Beispiel für Teilchenphysik mit einem „Teleskop“ IceCube-Publikationen 2010 Teilchenphysik mit IceCube DeepCore

IceCube-Publikationen 2010 (ohne technische Publikationen) In Rot: particle/fundamental physics Search for Muon Neutrinos from Gamma-Ray Bursts with the IceCube Neutrino Telescope Limits on a Muon Flux from Kaluza-Klein Dark Matter Annihilations in the Sun from the IceCube 22-string Detector Measurement of the Anisotropy of Cosmic Ray Arrival Directions with IceCube The Energy Spectrum of Atmospheric Neutrinos between 2 and 200 TeV with the AMANDA-II Detector and Search for New Physics Search for Relativistic Magnetic Monopoles with the AMANDA-II Neutrino Telescope The First Search for Extremely-High Energy Cosmogenic Neutrinos with IceCube Search for neutrino-induced cascades with five years of AMANDA data Constraints on high-energy neutrino emission from SN 2008D Measurement of the atm. neutrino spectrum from 100 GeV to 400 TeV with IceCube Search for a Lorentz-violating sidereal signal with atmospheric neutrinos in IceCube Search for Dark Matter from the Galactic Halo with IceCube

IceCube und Dark Matter Models with strong spin-dependent coupling are the least constrained by direct DM searches. W.r.t. spin-dependent coupling, Amanda & IceCube are ~100 times more sensitive than direct search experiments (Sun is mostly hydrogen) direct Super-K (old) IC-80 Effect of DeepCore

Was kann man noch mit IceCube machen? Verdichtung von DeepCore: Matter-Neutrino Oscillations  Massenhierarchie? Verbesserte Sensitivität für low-mass WIMPs Supernovae vom lokalen Galaxien-Cluster  1 SN alle 3-5 Jahre? Protonzerfall ?  Ein Teil der „50-500 kt-Physik“ a la Laguna mit 20 Megatonnen Eis, aber für nur 20 M€ ? 2009/10 deployments: 15 standard strings (in red) + 5 DeepCore strings (not marked) 1 km³

Zusammenfassung Astroteilchenphysik ist die Fortsetzung/Erweiterung der Astrophysik Astroteilchenphysik ist die Fortsetzung/Erweiterung der Teilchenphysik. Deutschland hat eine führende Position inne und sollte sie ausbauen. Gute Mischung von sehr grossen (100-600 M€), mittleren (10-70 M€) und kleinen (einige M€) Projekten.  Manövrierfähigkeit (Disponibilität bei veränderten Randbedingungen) ! Experimente zur Suche dunkler Materie und zu Masse und Charakter der Neutrinos müssen substantielle Bestandteile der Strategie der Teilchenphysik bleiben/werden. Laguna/LENA ist eine vielversprechende Zukunftsoption – als ein Bestandteil der Teilchenphysik in Deutschland. Mit grossen Teleskopen können ebenfalls eine Vielzahl von Fragen der ET angesprochen werden.