Aktuelle Experimente der Astroteilchenphysik

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Aktuelle Experimente der Astroteilchenphysik"

Eike Auttenberg
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Aktuelle Experimente der Astroteilchenphysik Prof. Dr. Christian Weinheimer Institut für Kernphysik, Wilhelm-Klemm-Str. 9, Münster Tel: , Einleitung Atmosphärisches Neutrinodefizit Solares Neutrinorätsel Neutrinoteleskope Luftcherenkov-Detektoren zur Messung hochenergetischer Gammastrahlung

2 Astroteilchenphysik ist a) Astrophysik mit Teilchen: Teilchen sind Informationsträger astrophysikalischer Vorgänge, z.b - Photonen bei optischen Teleskopen, - kosmische Strahlung beim Auger-Experiment, - Neutrinos von einer Supernova-Explosion -... Milchstraße mit elektromagnetischen Wellen in verschiedenen Frequenbereichen

3 Astroteilchenphysik ist b) Teilchenphysik mit Teilchen aus dem Kosmos: Teilchen werden in hochenergetischen kosm ischen Ereignissen erzeugt, z.b - Entdeckung der meisten Elementarteilchen in Höhenstrahlung - Entdeckung der Neutrinooszillation und dam it der Neutrinomasse - Suche nach neuartigen Teilchen der Dunklen Materie -... Milchstraße mit elektromagnetischen Wellen in verschiedenen Frequenbereichen

4 Atmosphärische Neutrinos W echselwirkung von kosmischer Strahlung (p,,..) in äußerer Atmosphäre:, K, e+ + ` + e ` e- + +` e (-) (-) # / # e 2

5 Atmosphärisches Neutrinodefizit: Verhältnis νµ/νe < 2: (-) (-) (# / # e R= ( -) (-) (# / # e )exp )MC Verschiedene Experimente

6 Super-Kamiokande-Experiment in Japan t H20 Cherenkov Detektor 40 m hoch 40 m Lichtdetektoren (Photomultiplier) 50 cm beim Füllen mit Wasser 1 km tief in der Kamioka Miene in Japan Wenn ein Teilchen schneller als Lichtgeschwindigkeit im Medium fliegt, kann die Polarisation nicht mehr folgen: Abstrahlung von Licht in Kegel: cos = 1/bn Photomultiplier

7 Cherenkov-Strahlung Ein geladenes Teilchen deformiert im Vorbeifliegen die Elektronenhüllen Durch diese Ladungsverschiebung entsteht elektromagnetische Strahlung

8 Cherenkov-Strahlung 1.Fall: v < c/n Elementarwellen werden ausgesandt Es kommt jedoch nicht zu einer konstruktiven Interferenz kein messbarer Effekt

9 Cherenkov-Strahlung 1.Fall: v < c/n Elementarwellen werden ausgesandt Es kommt jedoch nicht zu einer konstruktiven Interferenz kein messbarer Effekt 2.Fall: v > c/n Elementarwellen überlagern sich konstruktiv Ausbildung einer W ellenfront W asser: n = 1.33 v > km/s

10 Atmosphärische Neutrinos in S.-Kamiokande (-) ν Cherekov-Kegel: Energie Richtung Elektron/Myon-Unterscheidung Myonen: scharfer Ring l+/elektronen: verwaschener Ring (Vielfach-Streuung, EM-Schauer) Super-Kamiokande

11 Winkelverteilung von e und bei SK p,,.. Klares,energieabh. Defizit von von unten kommenden Myonneutrinos Alle Datensätze und Analysen sind kompatibel mit -Oszillation L ( m ev2. sin2(2 ) 1) ary n i lim e r P

12 Unsere Sonne

13 Unsere Sonne Parameter: kg Masse M := Alter Leuchtkraft Zentrumstemperatur Zentrumsdichte y MeV/s K 148 g/cm3 Annahmen des Standardsonnenmodells: Rotationssymmetrie Thermodynamisches Gleichgewicht keine Magnetfelder Gasball im hydrodynamischen Gleichgewicht Energietransfer durch Strahlung (StefanBoltzmann) + Konvektion (Temp.-Grad > adiab. Limit: R>0.7R ) Energieproduktion durch Kernfusion (pp-kette: 98.4%, CNO-Zyklus: 1.6%)

14 Die Sonne bei einer Wellenlänge von 195Å Extreme ultraviolett Imaging Telescope EIT des SOHO Satelliten

15 Blick ins Innere der Sonne: solare Neutrinos Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2 e ( MeV) genauer: e e e e e Standard-Sonnenmodell: J. Bahcall et al. auf der Erde: 65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2 Neutrino energy [MeV]

16 Das Chlor Experiment von R. Davis Nob l Perchlorethylen in der Homestake Miene e + 37Cl 37 el s i p re Ar + e- Ausspülen des 37Ar (0.5 Atom/Tag!) und radiochemischer Nachweis Resultat ist nur 30% von Erwartung Ist das Experiment falsch? Ist die Theorie der Sonne falsch? Verhalten sich die Neutrinos anders?

17 Solare Neutrinos mit Super-Kamiokande W echselwirkung solarer Neutrinos: e e- e + e- e- + e (elastische Streuung) Nachweis der Neutrinos: e erzeugt ein ev(e-) > c/n Cherenkov-Kegel: Richtung und Energie

18 Bestimmung des Signals über Winkelverteilung events/day/kt 2-dim Intensitätverteilung Bild der Sonne in Neutrinos 1km tief unter der Erde cos s u n e kommen wirklich von der Sonne (erster direkter Beweis der Kernfusion im Inneren der Sonne durch Kamiokande 1990) aber deutlich zu wenig: # gemessen / # erwartet =

19 Solarer Fluss gemessen mit dem Sudbury Neutrino Observatory SNO Cherenkov n e t a D z l r S a e d e t a t l 3 01 ) 1 R es u 8 1 ) 4 ( L R P ( empfindlich auf ES x + e- x + ecc e + d p + p + enc x + d p + n + x e (, ) e e,, Klares Ergebnis: NC > ES > CC Existenz von νµ, ντ ν Oszillation m(νi) 0 Bestim mung von m ij2, aber nicht der absoluten Neutrinomassenskala m i

20 Neutrinooszillation: ν wandeln sich im Fluge um νe νµ ντ

21 Neutrinooszillation: ν wandeln sich im Fluge um νe Neutrinooszillation: νµ ντ a) Neutrinomischung: e (, ) besteht aus 1, 2, 3 b) verschiedene Massen m( 1) m( 2) m( 3) Neutrinoexperiment: Oszillation hängt ab: a) Neutrinomischung b) quad. Massendifferenz, z.b. m2 = m2(ν2)-m2(ν1)

22 Nachweis hochenergetischer Myonneutrinos: Neutrinoteleskope detector muon sehr selten stößt ein kosmisches Neutrino mit einem Atomkern und produziert dabei ein Myon Das Myon hat einen Bremsweg von mehreren 100m oder km In einem transparenten Medium sendet das Myon Cherenkovstrahlung aus nuclear reaction neutrino

23 Amundsen-Scott South Pole Station runway ICECUBE South Pole AMANDA-II

24 Der AMANDA II Detektor im Eis des Südpols

25 Typisches Myonneutrino-Ereignis AMANDA Event Signatures: Muons CCmuonneutrino Interaction track νµ + N µ + X

26 AMANDA Einzelereignisse von unten kommende Ereignisse ry a n i m i l Pre noch keine Punktquellen entdeckt!

27 Viel größer: 1 Billion Tonnen Eis: ICECUBE

28 ANTARES im Mittelmeer bei Marseille

29 Physikalische Fragestellungen für die γ-astronomie Kosmische Strahlung: Ursprung und Beschleuniger Supernova Überreste Starburst-Galaxien Nicht-identifizierte galaktische Quellen Galaxiencluster Astrophysik von kompakten Objekten AGNs Mikro-Quasare & Schwarze Löcher mit stellaren Massen Pulsare Gamma ray bursts Kosmologie Diffuser extragalaktisches Strahlungsfeld Galaxiencluster Astroteilchenphysik Neutralino-Annihilation in Dunkle Materie Halos

30 Können wir von der Erde das Weltall in allen Wellenlängen beobachten? 2 Fenster, in denen die Atmosphäre elektromagnetische W ellen transmittiert: - Optisches Fenster - Radiobereich Hochenergetische g-quanten können also auf der Erde nicht direkt beobachtet werden aber indirekt, indem die Erdatmosphäre als Target benutzt wird.

31 Detektion von TeV γ-strahlung mit Cherenkov-Teleskopen Gamma aus dem All Elektromagnetischer Airoberer shower Schauer in Atmosphäre t ~ 1o Ch er en ko vl igh Cherenkov-Kegel für v > c/n m it n = v > km/s (99.97 % c) ~ 10 km ~ 120 m Kamerabild

32 H.E.S.S.: Teleskop-Design Spiegelfläche ~107 m2, Durchmesser 13 m, Brennweite 15 m Spiegel unterteilt in 380 einzelne Spiegel von je 60 cm Durchmesser Stahlgestell In phase I of the experiment 4 such telescopes, spaced by 120 m

33 H.E.S.S.: Supernova-Überrest und Suche nach γ-qullen in der galaktischen Ebene Galaktische Ebene: 15 neue TeV Quellen + 3 schon bekannte W inkelaufgelöster SN-Überrest

34 Zusammenfassung Untersuche das Universum mit Teilchen: a) Kosmische Strahlung (Protonen, Neutronen,..) b) Neutrinos: - Im Innern der Sonne findet Kernfusion statt - Neutrinos oszillieren und haben daher doch Masse - Suche nach kosmischen Beschleunigern für höchste Energien c) g-strahlung: - Neue g-quellen, teilweise ohne optisches Pendant - Aussagen über kosmische Beschleuniger -...

Ähnliche Dokumente

Nieder-Energie-Neutrino-Physik

Nieder-Energie-Neutrino-Physik Masseterme: m D ν L ν R + m D ν c Lν c R Im Standardmodell kein ν R und kein ν c L keine Neutrinomasse? m n =? Beweis dass m n durch Beobachtung von Neutrinooszillationen