Neutrinoforschung am Südpol IceCube Neutrinoforschung am Südpol Tobias Fischer-Wasels Universität Dortmund 29. Juni 2007

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

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

Kosmisches Energiespektrum [1]

: Luftschauer in der Atmosphäre [2] γ ν p : Luftschauer in der Atmosphäre Supernovarest N63A → B

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

Einige Daten Kollaboration: Deutschland, Schweden, Japan, Belgien, Niederlande, Großbritannien, Neuseeland und USA Budget von 295 Millionen Dollar Vorgänger AMANDA Erforschung hochenergetischer Neutrinos → Quellen? km3 Neutrinoteleskop im antarktischen Eis Herstellung und Test von über 4800 OMs. „Drilling“: Versenken der Strings im Eis; bis 2,5 km Tiefe Fertigstellung 2010/11: 80 Strings, 4800 OM, je String zwei IceTops für Luftschauermessung

AMANDA 19 Strings, 677 analoge OMs Energien 50 GeV – 1 PeV 1993/94 AMANDA-A: 4 Strings, 80 OM, 800-1000 m Tiefe 1995/96 AM-B4: 4 Strings, je 20 OM, 1500 – 2000 m Tiefe 1997/98 AM-B10: Weitere 6 Strings, je 36 OM, wie AM-B4 1998/99 AM-B13: 3 IceCube- Teststrings, je 42 OM, ober- / unterhalb 1500 bzw. 2000 m 1999/00 AM-II: 6 Strings, 252 OM (U.a. IceCube Prototypen) [4]

Energiebereich [5] AMANDA: 50 GeV – 1 PeV

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

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

[7] [8]

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

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

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

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

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

Energiebereich (IceCube)

[14]

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

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

Gebiet des Aufbaus [18]

IceTop InIce Fertigstellung 2011 [19] 2006-2007: 13 Strings Insgesamt: 22 Strings 52 Oberflächentanks Luftschauer Detektor Schwelle. ~ 300 TeV InIce Erste Daten 2005 erstes “upgoing muon”: 18. Juli 2005 Geplant sind 70-80 Strings , An jedem 60 Optische Module 17 m zwischen Modulen 125 m zwischen Strings IceCube fügt sich ins Gesamtbild ein -> AMANDA 19 Strings 677 Module Fertigstellung 2011 [19]

IceCube Bohrung, Januar 2005 Bohrturm Schlauchwinde Warmwassergenerator IceTop Behälter IceCube Bohrung, Januar 2005 [20]

Drilling Enhanced Hot Water Drill (EHWD) [24] Drilling Enhanced Hot Water Drill (EHWD) Loch von 0,6 m Breite, 2450 m Tiefe Bohrung mit Heißwasser, 4,5 MW thermisch Je Loch 30 h, 27.000 ℓ Kraftstoff [21] [22] [23]

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

DOM, PMT (PhotoMultiplier Tube) [26]

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

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

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

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

SNO Alte Nickelmine, Nähe Sudbury, Ontario, Kanada In etwa 2 km Tiefe, 12 m Durchmesser 1000 t Schweres Wasser: D2O, gelagert in normalem Wasser 9600 PMTs, 1999 in Betrieb „Solar-Problem“: Weniger νe aus der Sonne als zu erwarten → Neutrinooszillation [29]

(神岡 Neutrino Detection Experiment) Superkamiokande (神岡 Neutrino Detection Experiment) Im Hidagebirge, bei Kamioka, Japan 50000 t Hochreines Wasser 11200 Photomultiplier (PMT) Innen- / Außenbereich: Abschirmung vor Radioaktivität aus dem Berg; Unterscheiden e- und µ- [30]

Baikal NT-200 km3 Tiefseexperiment im Baikalsee, Russland Acht Strings, je 24 OMs Paare → Koinzidenz Dichte: 6 m Δh, ~20 m Δr Seit 1998 Datennahme 2005 Erweiterung um 3 Strings auf NT200+ [31]

Mittelmeer Im Aufbau: ANTARES Ebenfalls im Aufbau: KM3NeT km3 Volumen Je Einheit PMT-Trios → Koinzidenz: Rauschunterdrückung [32]

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