IceCubeIceCubeNeutrinoforschung am SüdpolNeutrinoforschung am Südpol

Tobias Fischer-Wasels Universität Dortmund 29. Juni 2007

ÜbersichtÜbersicht

• Einleitung, historischesEinleitung, historisches

• Was ist IceCube?Was ist IceCube?→ Vorgänger AMANDAVorgänger AMANDA

• Was macht es? Was macht es? → „ „Es leuchtet blau“!Es leuchtet blau“!→ TscherenkovlichtTscherenkovlicht

• Wie funktioniert IceCube? Wie funktioniert IceCube? → DOMsDOMs→ PMTPMT

• Aufbau des ExperimentesAufbau des Experimentes

• Wozu das ganze?Wozu das ganze?

• Andere NeutrinoteleskopeAndere Neutrinoteleskope

[6]

„„Ich habe etwas Schreckliches Ich habe etwas Schreckliches getan:getan:

  Ich habe ein Teilchen Ich habe ein Teilchen vorhergesagt,vorhergesagt,

  

das nicht nachgewiesen das nicht nachgewiesen werden kann.“werden kann.“

– – Wolfgang Pauli (1900 – 1958)Wolfgang Pauli (1900 – 1958)

Kosmisches EnergiespektrumKosmisches Energiespektrum

[1]

ν ν

ν

γ

γ

γ

γ

→B

p : Luftschauer in der Atmosphäre

[2]

Als erstes: Bodenständige Teleskope (H.E.S.S, Magic, …)

Letzte Woche: Satelitenteleskope, extraterrestrisch (COBE, WMAP, Glast, …)

Jetzt: Unterirdische Observatorien (IceCube, …)

[3]

Einige Daten Einige Daten

• Kollaboration: Deutschland, Schweden, Japan, Belgien, Kollaboration: Deutschland, Schweden, Japan, Belgien, Niederlande, Großbritannien, Neuseeland und USANiederlande, Großbritannien, Neuseeland und USA• Budget von 295 Millionen Dollar Budget von 295 Millionen Dollar • Vorgänger AMANDA Vorgänger AMANDA • Erforschung hochenergetischer Neutrinos → Quellen?Erforschung hochenergetischer Neutrinos → Quellen?

• kmkm33 Neutrinoteleskop im antarktischen Eis Neutrinoteleskop im antarktischen Eis• Herstellung und Test von über 4800 OMs.Herstellung und Test von über 4800 OMs.• „ „Drilling“: Versenken der Strings im Eis; bis 2,5 km TiefeDrilling“: Versenken der Strings im Eis; bis 2,5 km Tiefe• Fertigstellung 2010/11: 80 Strings, 4800 OM, je String zwei Fertigstellung 2010/11: 80 Strings, 4800 OM, je String zwei IceTops für LuftschauermessungIceTops für Luftschauermessung

AMANDAAMANDA• 19 Strings, 677 analoge OMs 19 Strings, 677 analoge OMs • Energien 50 GeV – 1 PeVEnergien 50 GeV – 1 PeV• 1993/94 AMANDA-A1993/94 AMANDA-A: 4 Strings,: 4 Strings, 80 OM, 800-1000 m Tiefe80 OM, 800-1000 m Tiefe• 1995/96 AM-B41995/96 AM-B4: 4 Strings, : 4 Strings, je 20 OM, 1500 – 2000 m Tiefeje 20 OM, 1500 – 2000 m Tiefe• 1997/98 AM-B101997/98 AM-B10: Weitere 6: Weitere 6 Strings, je 36 OM, wie AM-B4Strings, je 36 OM, wie AM-B4• 1998/99 AM-B131998/99 AM-B13: 3 IceCube-: 3 IceCube- Teststrings, je 42 OM, ober- /Teststrings, je 42 OM, ober- / unterhalb 1500 bzw. 2000 munterhalb 1500 bzw. 2000 m• 1999/00 AM-II1999/00 AM-II: 6 Strings, 252 : 6 Strings, 252 OM (U.a. IceCube Prototypen)OM (U.a. IceCube Prototypen)

[4]

EnergiebereichEnergiebereich

• AMANDA: 50AMANDA: 50 GeV – 1 PeVGeV – 1 PeV

µpnµ

[5]

Ergebnisse: Ergebnisse: 4382 beobachtete Neutrinos4382 beobachtete Neutrinos• Messzeit 2000 – 2004, 1001 Tag; Winkelauflösung ~ 2°Messzeit 2000 – 2004, 1001 Tag; Winkelauflösung ~ 2°

[6]

Wie „sieht“ man Neutrinos?Wie „sieht“ man Neutrinos?

• Neutrinos unsichtbar → Messen SekundärteilchenNeutrinos unsichtbar → Messen Sekundärteilchen

• Seltene WW produziert Myon (eSeltene WW produziert Myon (e--, , ττ--) ) → Diese Teilchen „leuchten blau“Diese Teilchen „leuchten blau“

• Messung des Tscherenkovkegels gibt Aufschluss über EnergieMessung des Tscherenkovkegels gibt Aufschluss über Energie

[7] [8]

TscherenkovstrahlungTscherenkovstrahlung• Polarisation von Materie durchPolarisation von Materie durch schnelle geladene Teilchen schnelle geladene Teilchen

(e(e--, µ, µ--,,ττ--))

→ → Konstruktive Interferenz der Konstruktive Interferenz der Wellenfronten: Wellenfronten: TscherenkoveffektTscherenkoveffekt

Korrelation Dichte Medium mit Korrelation Dichte Medium mit Energieverlust durchquerenden Energieverlust durchquerenden (relativistischen) Teilchens(relativistischen) Teilchens

epnencv

[9]

• Über Intensität und Spur des Kegels → EnergieÜber Intensität und Spur des Kegels → Energie

• Öffnungswinkel ~ v, ungefähr gleich Öffnungswinkel ~ v, ungefähr gleich epne

)(;1cos

nnC

[10]

• Analyse über Sekundärteilchen: Analyse über Sekundärteilchen: • ee- - Nachteil: Richtungsorientierung schwer Nachteil: Richtungsorientierung schwer

epne

[11]

Eµ=10 TeV

• Analyse über Sekundärteilchen: Analyse über Sekundärteilchen: • µµ- - Vorteil: Spur gut zu verfolgen Vorteil: Spur gut zu verfolgen

µpnµ[12]

• Analyse über Sekundärteilchen: Analyse über Sekundärteilchen: • ττ-- Detektormaße müssen > 300 m Flugstrecke sein Detektormaße müssen > 300 m Flugstrecke sein

µpnµ

~300m for >PeV

[13]

Energiebereich (IceCube)Energiebereich (IceCube)

µpnµ

µpnµ

[14]

180°

IceCube

E ~ PeV

E ~ EeV

90°Horizont senkrecht[15]

Südpol – Amundsen-Scott StationSüdpol – Amundsen-Scott Station

[16]

[17]

Gebiet des AufbausGebiet des Aufbaus

[18]

IceTop

InIce

Luftschauer DetektorSchwelle. ~ 300 TeV

Geplant sind 70-80 Strings ,An jedem 60 Optische Module17 m zwischen Modulen125 m zwischen Strings

2004-2005 : 1 String

2005-2006: 8 Strings

AMANDA19 Strings677 Module

Fertigstellung 2011Fertigstellung 2011

2006-2007:13 Strings

Erste Daten 2005erstes “upgoing muon”: 18. Juli 2005

Insgesamt: 22 Strings52 Oberflächentanks

[19]

IceCube Bohrung, Januar 2005

Schlauchwinde Bohrturm

IceTop BehälterWarmwassergenerator

[20]

DrillingDrilling

[21]

[23]

[24]

[22]

• Enhanced Hot Water Drill (EHWD)Enhanced Hot Water Drill (EHWD)

• Loch von 0,6 m Breite,Loch von 0,6 m Breite, 2450 m Tiefe 2450 m Tiefe

• Bohrung mit Heißwasser, Bohrung mit Heißwasser, 4,5 MW thermisch4,5 MW thermisch

• Je Loch 30 h, 27.000 ℓ KraftstoffJe Loch 30 h, 27.000 ℓ Kraftstoff

DDigitales igitales OOptisches ptisches MModul (DOM)odul (DOM)

main board

(DOMMB)

LED flasher board

HV PMT base

Hochspannungs-generator

33 cm glass sphere25 cm PMT

[25]

DOM, PMT (DOM, PMT (PPhotohotoMMultiplier ultiplier TTube)ube)

[26]

PMT; PMT; SekundärelektronenvervielfacherSekundärelektronenvervielfacher

• Photokathode, Photokathode, γγ löst elöst e-- aus aus

• Beschleunigung und Auslösen weiterer eBeschleunigung und Auslösen weiterer e-- an Dynoden … an Dynoden …

• Spannung an Anode ~ E Spannung an Anode ~ E γγ

[27] [28]

ZeitplanZeitplan• 2004/05 ein Strings, 60 OM (Alle 17 m Tiefe ein OM)2004/05 ein Strings, 60 OM (Alle 17 m Tiefe ein OM)

• 2005/06 acht Strings („IC-9“ bereits 540 Module)2005/06 acht Strings („IC-9“ bereits 540 Module)

• 2006/07 13 Strings 2006/07 13 Strings

• 2007/08 ~ 18 Strings2007/08 ~ 18 Strings

• 2010/11 ca. 70 – 80 Strings versenkt2010/11 ca. 70 – 80 Strings versenkt

Ziele von IceCubeZiele von IceCube

• Informationen aus großer Entfernung des Weltraums Informationen aus großer Entfernung des Weltraums • Weiter Blick ins frühe UniversumWeiter Blick ins frühe Universum

• Neutrinos gute Boten. Wegen kleines WQS wenig WWNeutrinos gute Boten. Wegen kleines WQS wenig WW

• Aufschluss über Dunkle MaterieAufschluss über Dunkle Materie

• Erforschung hochenergetischer Neutrinos → Aufschluss überErforschung hochenergetischer Neutrinos → Aufschluss über Quellen (auch geladener CR)Quellen (auch geladener CR)

Weitere ExperimenteWeitere Experimente

• Superkamiokande (Japan)Superkamiokande (Japan)

• Antares, KM3NeT (Mittelmeer)Antares, KM3NeT (Mittelmeer)

• SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Kanada)SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Kanada)

• Baikal NT-200 (Sibirien, Russland)Baikal NT-200 (Sibirien, Russland)

SNOSNO

• Alte Nickelmine, Nähe Sudbury, Alte Nickelmine, Nähe Sudbury, Ontario, KanadaOntario, Kanada

• In etwa 2 km Tiefe, 12 m In etwa 2 km Tiefe, 12 m DurchmesserDurchmesser

• 1000 t Schweres Wasser: D1000 t Schweres Wasser: D22O, O, gelagert in normalem Wassergelagert in normalem Wasser

• 9600 PMTs, 1999 in Betrieb9600 PMTs, 1999 in Betrieb

• „ „Solar-Problem“: Weniger Solar-Problem“: Weniger ννee aus der Sonne als zu erwartenaus der Sonne als zu erwarten→ → NeutrinooszillationNeutrinooszillation [29]

SuperkamiokandeSuperkamiokande(( 神岡神岡 Neutrino Detection Experiment)Neutrino Detection Experiment)

• Im Hidagebirge, beiIm Hidagebirge, bei Kamioka,Kamioka, JapanJapan

• 50000 t Hochreines Wasser50000 t Hochreines Wasser

• 11200 Photomultiplier (PMT)11200 Photomultiplier (PMT)

• Innen- / Außenbereich: Innen- / Außenbereich: Abschirmung vor Radioaktivität aus Abschirmung vor Radioaktivität aus dem Berg; Unterscheiden edem Berg; Unterscheiden e-- und µ und µ--

[30]

Baikal NT-200Baikal NT-200• kmkm33 Tiefseexperiment im Baikalsee, Russland Tiefseexperiment im Baikalsee, Russland• Acht Strings, je 24 OMs Paare Acht Strings, je 24 OMs Paare → Koinzidenz→ Koinzidenz

[31]

• Dichte: 6 m Dichte: 6 m ΔΔh, ~20 m h, ~20 m ΔΔrr• Seit 1998 DatennahmeSeit 1998 Datennahme• 2005 Erweiterung um 3 Strings 2005 Erweiterung um 3 Strings auf NT200+auf NT200+

MittelmeerMittelmeer

• Im Aufbau: ANTARESIm Aufbau: ANTARES

• Ebenfalls im Aufbau: Ebenfalls im Aufbau: KM3NeTKM3NeT

• kmkm33 Volumen Volumen

• Je Einheit PMT-Trios Je Einheit PMT-Trios → → Koinzidenz:Koinzidenz: Rauschunterdrückung Rauschunterdrückung

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