Alexander Kappes DPG-Frühjahrstagung München, 12. März 2009 Das Universum im Neutrinolicht: Neues...
-
Upload
xaver-hellner -
Category
Documents
-
view
108 -
download
3
Transcript of Alexander Kappes DPG-Frühjahrstagung München, 12. März 2009 Das Universum im Neutrinolicht: Neues...
Alexander KappesDPG-FrühjahrstagungMünchen, 12. März 2009
Das Universum im Neutrinolicht:Neues von IceCube und ANTARES
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 2
Übersicht
• Das Hochenergie-Universum und Einführung in die Neutrino-Astronomie
• Neutrino-Teleskope: IceCube und ANTARES
• Ausgewählte Resultate
• Perspektiven mit IceCube und KM3NeT
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 3
Boten des Hochenergie-Universums
Cosmic ray spectrum
109 1012 1015 1018 1021
energy (eV)
10-27
10-21
10-15
10-9
10-3
103
Flu
x (G
eV-1 m
-2 s
-1 s
r-1)
LHC
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 4
Das Hochenergie-Universum
Gamma-ray Bursts(GRB 080319B, röntgen, SWIFT)
Aktive Galaktische Kerne(künstlerische Darstellung)
Supernova-Überreste(SN1006, optisch, radio, röntgen)
Mikroquasare(künstlerische Darstellung)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 5
Beschleuniger (Quelle)
• Schockfronten (Fermi-Beschleunigung)
• Objekte mit starken Magnetfeldern (Pulsare, Magnetare)
Beam dump (Produktion von Sekundärteilchen)
• Wechselwirkung mit Photon-Feldern, Materie
• Protonen: Pion-Zerfall
• Elektronen: inverse Compton-Streuungvon Photonen
e + γ → e + γ (TeV)
Produktion hochenergetischer Teilchen im Universum
p + p(γ) → π± + X μ + νμ
e + νμ + νe
p + p(γ) → π0 + X γ + γ (TeV)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 6
Warum Neutrino-Astronomie?
• Neutrinos zeigen zurück zur Quelle
• Neutrinos überwinden kosmologische Distanzen
• Neutrinos entkommen optisch dichten Quellen
• Neutrinos sind ein klares Anzeichen für Hadron-Beschleunigung
Neutrinos liefern komplementäre Informationen zu Gamma-Photonenund Protonen
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 7
Nachweis von kosmischen Neutrinos
muon
νμnuclearreaction
cascade
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 8
• Fluss von oben dominiert von atmosphärischen Myonen
• Neutrino-Teleskope vor allem sensitiv aufNeutrinos von unten
Untergrund: Atmosphärische Myonen & Neutrinos
kosmische Strahlung
~15 km
π+
μ+
νμ
Atm
ospähre
p
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 9
Neutrino-Teleskope:
IceCube und ANTARES
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 10
Himmelsabdeckung
Sichtbarkeit ANTARES (Mittelmeer) > 75% 25% – 75% < 25%
TeV γ-Strahlungsquellen galaktische extragalaktisch
Sichtbarkeit IceCube (Südpol) 100% 0%
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 11
IceCube am Südpol
Südpol
IceCube
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 12
1450 m
2450 m
IceCube
• IceTopLuftschauerdetektor
• InIce80 Strings (4800 PMTs)Status: 58 Strings installiertInstrumentiertes Volumen: 1 km3
• DeepCore6 zusätzliche StringsDichter gepacktErster String 2008/09 installiert
Niederenergie-Physik, E < 1 TeV (WIMPs, . . . )
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 13
Eis-Eigenschaften
• Photon-Propagation im Eis durch Streuung dominiert
λabs ~100 mλscat ~20 m
• Datenanalyse sensitiv auf Eis-Eigenschaften
• Eis-Eigenschaften genau vermessen
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 14
ANTARES im Mittelmeer
Unterseekabel (45km)
Küstenstation
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 15
• 12 Lines (885 PMTs)
• Datennahme mit dem kompletten Detektor seit Mai 2008
• Instrumentiertes Volumen: ~0.01 km3
ANTARES
2100 m
2475 m
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 16
• Lines bewegen sich und rotieren in Meeresströmung
• Akustisches Positionierungssystem + Neigungmesser und Kompasse
• Überprüfung der Positionierung mit Ankunftszeiten von Laserpulsen
• Präzision ~0.5 ns = 10 cm
Positionsbestimmung der PMTs
Laser
0.5 ns
0-1-2-3-4 1 2 3 4measured – calculated (ns)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 17
Optischer Untergrund
Optischer Untergrund durch 40K-Zerfall und Biolumineszenz
• Typische Rate pro PMT 60-100 kHz
• Zeitweise kurze Bursts und Perioden mit hohen Raten
Mar.’06 Sept.’06 Mar.’07 Sep.’07 Mar.’08
Med
ian
rate
(kH
z)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 18
Ausgewählte Resultate
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 19
ANTARES: Atmosphärische Myonen & Neutrinos
Von unten:ν-induzierte Myonen
ANTARES (173 days)
Von oben:atm. Myonen
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 20
• Keine Neutrino-Referenzquelle um absolute Detektorausrichtung zu überprüfen
• Verwendung des Defizits von atm. Myonen aus Richtung des Mondes
- Mond-Durchmesser 0.5°
Winkelauflösung
- IceCube 80-String < 1°
- ANTARES < 0.5°
• Erste Beobachtung des Monds mit2 Monaten IceCube 40-String Daten
IceCube: Der Mondschatten
even
ts
on-Moon – off-Moon
IceCube(preliminary)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 21
• Himmelskarte von ANTARES 5 Lines (140 Tage, 94 Ereignisse)
• Kein signifikanter Überschuss über Untergrund
ANTARES: Suche nach Punktquellen
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 22
• IceCube 22-String Himmelskarte (276 Tage, ~5000 Ereignisse)
• Größte Anhäufung bei r.a. 153º, dec. 11º
• Pre-trial Signifikanz: 4.8 sigma (Wahrscheinlichkeit p = 7×10-7)
• Post-trial Signifikanz: 2.2 sigma (p = 1.3%)
preliminary
IceCube: Suche nach Punktquellen
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 23
• IceCube 22-Strings + AMANDA pre-trial Signifikanz
• Optimiert für weichere Spektren (Energie Cut-off bei einigen TeV)
• Max. Anhäufung (p = 0.37%): erwartet in 95% aller Untergrundfälle
IceCube: Scan der galaktischen Ebene
longitude (30˚ – 215˚)
latit
ude
(±3˚
) pre-trial significance
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 24
Aktuelle obere Limits für Punktquellen
ANTARES: 5 lines 140 days (limits) 12 lines 1 year (pred. sensitivity)
IceCube: IceCube 22 strings 276 days (sensitivity)
IceCube 2007-2009 IceCube 2007–2012 (Spiering, HGF review, 2009)
90% C.L. upper flux limits for E-2 spectra (preliminary)
VorhersagenHalzen, AK, O’Murchadha, PRD (2008)AK, Hinton, Stegmann, Aharonian, ApJ (2006)Kistler, Beacom, PRD (2006). . .
MACRO (6 years)Super-K. (4.5 years)
AMANDA (3.8 years)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 25
Getriggerte Suchen• Profitieren von der von Satelliten gemessenen Zeit und Position• Geringe Anzahl von Ereignissen pro GRB erwartet “Burst-Stacking” ➞
Nicht getriggerte Suchen• Mögliche große Population von “choked“ GRBs; unsichtbar in γ-Strahlung• Suche nach zeitlicher und räumlicher Anhäufungen von Ereignissen
Gamma-Ray Bursts
Fireball model
Precursor
~-100 s T0 ~100 s > 1000 s
TeV neutrinosPeV neutrinos
EeV neutrinos
Prompt
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 26
IceCube: Limits auf Neutrinoflüsse von GRBs
AMANDA, all flavors
untriggered (562 days)
triggered (419 bursts)
Prompt: Waxman & Bahcall, PRL (1997)Precursor: Meszaros & Waxman, PRL (2001) Triggered: A. Achterberg et al., ApJ (2008) Untriggered: A. Achterberg et al., ApJ (2007)
precursor
prompt
Perspektiven: 200 – 300 getriggerte GRBs pro Jahr (Fermi, Swift)IceCube wird vorhergesagte Flüsse in nächsten Jahren entdecken können
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 27
Weitere Physik
Punktquellen:
• Variable Quellen
- Extragalaktische ν-Quellkandidaten nicht konstant (z.B. AGNs)
- Verwendung von Beobachtungen in z.B. γ-Strahlung zur Eingrenzung des Suchzeitfensters (Reduktion des Untergrundes)
• Verwendung von Ereigniskoinzidenzen im Neutrinoteleskop zum Triggern von Beobachtungen mit optischen Teleskopen
Andere Themen:
• Dunkle Materie (WIMPs)
• Supernovae (MeV Neutrinos)
• Neutrino-Oszillation (atmosphärische Neutrinos 10 - 100 GeV)
• Exotische Physik (Lorentz-Symmetrieverletzung, Monopole, . . .)
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 28
Perspektiven mit
IceCube und KM3NeT
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 29
• IceCube: Im Vergleich zu AMANDA (7 Jahre)Faktor 25 verbesserte Sensitivität
- Größerer Detektor + Datenqualität
- Akkumulierte Daten
- Verbesserte Analysemethoden
• IceCube erreicht Regionen mit realistischem Entdeckungspotential
aber Flussberechnungen deuten darauf hin, dass IceCube den interessanten Bereich nur ankratzen wird
. . . und IceCube deckt nur den halben Himmel ab
Blick in die Zukunft der Neutrino-Astronomie
Spiering, HGF review, 2009
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 30
• km3-scale Neutrino-Teleskop im Mittelmeer
(auch Infrastruktur für Meeres- und geologische Forschungen)
• Gemeinsame Anstrengung der ANTARES, NEMO und NESTOR Pilotprojekte
+ Institute aus der Meeresforschung und Technologie
• Projekt auf der Roadmap des European Strategy Forum for Research Infrastructures (ESFRI)
• EU finanzierte Design Studie (2006-2009)
KM3NeT
Künstlerische Darstellung
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 31
KM3NeT: Sensitivität
Wesentlich sensitiver als IceCube für Punktquellen
KM3NeT (1 yr)(conservative)
IceCube (1 yr)
KM3NeT CDR http://www.km3net.org/publications.php
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 32
KM3NeT: Timeline
nownow
Feb
2006
Feb
2006
Mar
200
8
Mar
200
8
Oct 2
009
Oct 2
009
Mar
201
1
Mar
201
1
Construction phaseConstruction phase
Data taking phaseData taking phase
TDRTDRCDRCDR
Design StudyDesign Study
Preparatory PhasePreparatory Phase
Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 33
Zusammenfassung
• Neutrinos liefern zu Gamma-Photonen und Protonen komplementäre Informationen über das Hochenergie-Universum
• ANTARES fertiggestellt und 70% von IceCube installiert
• Bis jetzt keine hochenergetischen, kosmischen Neutrinos identifiziert
- IceCube dringt in den nächsten Jahren in Regionen mit realistischem Entdeckungspotenzial vor
- KM3NeT in Design-Phase
The real voyage of discovery consists not in seeking new landscapes, but in having new eyes . . .
Marcel Proust