Perspektiven der ecap

Transkript

1 Perspektiven der ecap Astroteilchenphysik in Europa ECAP Inauguration p n γ μ Christian Spiering DESY

2 Astroteilchenphysik Teilchenphysik Kosmologie ATP Astrophysik

3 Der Zerfall des Protons Lebensdauer in einfachsten GUTs Jahre Bevorzugter Zerfallsmodus p e + + π 0 γ + γ

4 Der Zerfall des Protons Lebensdauer in einfachsten GUTs Jahre 3000 Tonnen Wasser (10 33 Protonen) p Bevorzugter Zerfallsmodus e + + π 0 γ + γ

5 Der Zerfall des Protons Lebensdauer in einfachsten GUTs Jahre Bevorzugter Zerfallsmodus p e + + π 0 γ + γ

6 Der Zerfall des Protons Lebensdauer in einfachsten GUTs Jahre γ Bevorzugter Zerfallsmodus γ e + p e + + π 0 γ + γ

7 Der Zerfall des Protons Lebensdauer in einfachsten GUTs Jahre KAMIOKANDE 3000 Tonnen Wasser Kamioka - Mine (Japan) p Bevorzugter Zerfallsmodus e + + π 0 γ + γ

8 Super-Kamiokande Super-Kamiokande: Lebensdauer des Protons > Jahre

9 Neutrinos in Kamiokande ν e e + ν e + p e + + n

10 Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke

11 Neutrino-Signal von SN-1987A in Kamiokande SN 1987A Rauschen

12 Neutrino-Signal von SN-1987A in Kamiokande SN 1987A Temperatur im frischen Neutronenstern Milliarden Kelvin Rauschen Neutrinomasse < 20 ev....

13 Die Sonne in Neutrinos ν e -

14 Neutrino-Oszillationen taken from W. Hofmann Neutrinos wandeln sich auf dem Weg von der Sonne zur Erde um! Neutrinos haben eine Ruhe-Masse

15 ApPEC und ASPERA Astroparticle Physics European Coordination Gegründet 2001 (ursprünglich 6, jetzt 13 Länder) Warum ApPEC? Astroteilchen Projekte der nächsten Phase (>2010) erreichen die M Skala Koordination Kooperation Konvergenz auf einige wenige Flagschiffprojekte Infrastrukturen ASPERA: Europäisches Netzwerk (ERA-Net) der nationalen staatlichen Geldgeber für Astroteilchenphysik. Ab Juni 2006, 2.5 M über 3 Jahre.

16 Phasen des Roadmap Prozesses Phase I: Roadmap Phase I: science case Recommendations for convergence Phase II: Detailed questionnaires from subfields and agencies. Timelines and updated cost Phase III: Precise calendar for milestones and decisions Prioritisation, based on different funding scenarios Input for ESFRI Roadmap Roadmap Phase III (Sept. 2008)

17 Astroteilchenphysik: die Fragen 1) Woraus besteht das Universum? Insbesondere: Was ist Dunkle Materie? 2) Können Protonen zerfallen? 3) Was sind die Eigenschaften der Neutrinos und was ist ihre Rolle in der kosmischen Evolution? 4) Was lehren uns Neutrinos über das Innere von Sonne und Erde und über Supernova-Explosionen? 5) Was ist der Ursprung der kosmischen Strahlung? Wie sieht das Universum bei hohen Energien aus? 6) Was können wir mit Hilfe von Gravitationswellen über kosmische Prozesse lernen??

18 Astroteilchenphysik: die Fragen 1) Woraus besteht das Universum? Insbesondere: Was ist Dunkle Materie? 2) Können Protonen zerfallen? 3) Was sind die Eigenschaften der Neutrinos und was ist ihre Rolle in der kosmischen Evolution? 4) Was lehren uns Neutrinos über das Innere von Sonne und Erde und über Supernova-Explosionen? 5) Was ist der Ursprung der kosmischen Strahlung? Wie sieht das Universum bei hohen Energien aus? 6) Was können wir mit Hilfe von Gravitationswellen über kosmische Prozesse lernen??

19 Was ist Dunkle Materie? % Neutrinos 75 % Dunkle Energie 21 % 4 % Dunkle Materie Normale Materie

20 Nachweis Dunkler Materie 1) Direkter Nachweis von DM-Reaktionen in Untergrunddetektoren χ Sonne χ χ 2) Indirekter Nachweis Neutrinos aus DM-Annihilationen ν 3) Erzeugung von DM-Teilchen am LHC Erde (Large Hadron Collider)

21 Wirkungsquerschnitt (cm 2 ) Verbesserung der Sensitivität bei der Bereich, der durch Supersymmetrische Teilchentheorien nahe gelegt wird. direkten DM-Suche Langer Weg zu technologischer Reife zahlt sich aus

22 10-40 Verbesserung der Sensitivität bei der direkten DM-Suche Wirkungsquerschnitt (cm 2 ) Bereich, der durch Supersymmetrische Teilchentheorien nahe gelegt wird. Kosten für ein Experiment M

23 WG requests for European Dark Matter projects Investment - Total ASPERA ArDM CYGNUS DAMA1ton ELIXIR EURECA SIMPLE Ulisse ULTIMA ZEPLIN Underground Infrastructure k ELIXIR (liquid Xe) EURECA (bolometric) 5000 DAMA-1ton

24 WG recommendations for European Dark Matter projects Underground Infrastructure k ELIXIR (liquid Xe) EURECA (bolometric)

25 Protonzerfall, Neutrinos von Sonne und Supernovae 65m 65m 1 Mt H 2 O z.b. 1 Megatonne Wasser (MEMPHYS-Projekt im Frejus Tunnel) alternativ 100 kt Szintillator oder Flüssig-Argon Kosten: M

26 Protonzerfall, Neutrinos von Sonne und Supernovae Für 65m eine Supernova im Zentrum unserer Galaxis (10 kpc): Mt H 2 O000 Neutrino-Ereignisse 65m vgl. Superkamiokande: 8500 Ereignisse vgl. SN1987A: weltweit 20 Ereignisse beobachtet (Entfernung 50 kpc) z.b. 1 Megatonne Wasser (MEMPHYS-Projekt im Frejus Tunnel) Protonzerfall: bis Jahre alternativ 100 kt Szintillator oder Flüssig-Argon Kosten: M

27 Das Universum bei hohen Energien 20 km Höhe

28 Supernovae: Stosswellen in interstellares Medium bis ev Krebs-Nebel

29 Aktive Galaxien: Akkretionsscheiben und Jets bis ev Radiobild von Cygnus A

30 Drei Fronten Geladene kosmische Strahlen, Neutrinos, TeV γ Geladene kosmische Strahlen, Neutrinos, TeV γ Data Data taking: taking: Auger 2010: Auger North 2018: EUSO? under underconstruction/data taking: taking: IceCube 2011: KM3NeT Data Data taking/upgrade H.E.S.S., Magic 2012: CTA

31 Geladene kosmische Strahlung: Auger Oberhalb ev: Ablenkung in kosmischen Magnetfeldern gering Astronomie möglich Aber: Flüsse gering (<1 Teilchen pro km 2 und Jahr) Luftschauer-Detektor von ~3000 km 2 Fläche nötig Pierre-Auger Observatorium (Argentinien)

32 Auger Himmelskarte E > ev Der Beginn der Astronomie mit geladenen kosmischen Strahlen? o - Auger-Ereignisse -AGN

33 Klare Priorität: Auger-Nord Investments (ASPERA part) Trans-GZK-Physik ~ km² NUCLEON Super-EUSO JEM-EUSO k Auger North LOFAR AMS-02 Auger North Auger South Year

34 Der TeV Gamma Himmel 1996: 3 Quellen 2006: ~ 40 Quellen

35 Das H.E.S.S. Teleskop in Namibia

36 Erste Hinweise auf ecap Protonenbeschleuniger Spektrum der meisten TeV-Gamma-Quellen mit reiner Elektron- Beschleunigung verträglich. E γ =200 GeV 40 TeV Quell-Morphologie des Supernova Überrests RX J1713 deutet jedoch auf Proton- Beschleunigung hin.

37 Erste Hinweise auf ecap Protonenbeschleuniger Protonbeschleunigung an der Stoßwellenfront E γ =200 GeV 40 TeV Materiewolke Protonen wechselwirken mit Materie p + p p + π 0 +. γ+ γ

38 Erste Hinweise auf ecap Protonenbeschleuniger Protonbeschleunigung an der Stoßwellenfront E γ =200 GeV 40 TeV Materiewolke Protonen wechselwirken mit Materie p + p p + π + +. ν+ μ

39 Der nächste Schritt: CTA (Cherenkov Telescope Array) Not to scale! 2 Standorte: Süden: bis zu höchsten Energien Norden: Niedrige Energien Gesamtkosten ~ 150 M Baubeginn: 2012

40 Not to scale! Der nächste Schritt: - ~ 1000 Quellen - Observatoriumsbetrieb - Endgültiger Schritt in eine breite TeV-Astronomie - Kosmologische Fragen - wichtig: Überlapp mit GLAST (Satellit, Start Juni 2008) CTA (Cherenkov Telescope Array) 2 Standorte: Süden: bis zu höchsten Energien Norden: Niedrige Energien Gesamtkosten ~ 150 M Baubeginn: 2012

41 Klare Priorität: CTA Investments k CTA Project 7: GLAST Project 6: CTA Project 5: GAW Project 4: ARGO-YBJ Project 3: VERITAS Project 2: MAGIC Project 1: HESS Year

42 Neutrino-Teleskop ecap Neutrino-Astronomie bei hohen Energien ν Nur Neutrinos können die Erde durchqueren. für klare Identifikation: Sieh nach unten! (und benutze die Erde als Filter) Aktive Galaxie

43 Myonen können in Wasser oder Eis kilometerweit fliegen... und ziehen einen Lichtkegel hinter sich her Detektor Myon Kern- Reaktion Neutrino

44 AMANDA Himmelskarte, 5 Jahre 75 o 60 o 3 45 o 2 30 o o h 0h AMANDA-II: (1001 live days) 4282 ν from Northern hemisphere Kein signifikanter Überschuss

45 ES Fluss von TeV Photonen (willk. Einheiten) Ankunftszeit von AMANDA- Neutrinos aus der Richtung der Aktiven Galaxie ES ν ν Year May June July Gamma-Fluss aus der Richtung ES im WHIPPLE-Teleskop

46 IceTop : 18 Strings IceCube : 13 Strings : 8 Strings IceCube : 1 String Datennahme mit ½ km3 hat begonnen Bauabschluss Jan 2011 AMANDA 19 Strings

47

48 Mittelmeer- Projekte 2400m ANTARES NEMO 3400m 4100m NESTOR

49 Antares F. Montanet MC TeV muon traversing the apparatus

50 Die ersten Neutrinos down going Glückwunsc Neutrino candidates up going Preliminary

51 Projekte im Mittelmeer 2400m ANTARES NEMO 3400m 4100m NESTOR

52 Projekte im Mittelmeer Konvergenz zu einem Detektor auf der km³-skala 2400m KM3NeT ANTARES NEMO 3400m 4100m NESTOR

53 Der Weg zu Km3NeT

54 Das europäische Siebengestirn der Astroteilchenphysik Ton-scale Double Beta Einstein Telescope (LISA) Megaton KM3NeT CTA Auger-Nord Ton-scale Dark Matter

55 Die nächsten 10 Jahre Falls Dunkle Materie aus Neutralinos besteht, haben wir in eine hohe Entdeckungschance. Megatonnen-Detektor: Test von supersymmetrischen Modellen. Solare und Supernova-Neutrinoastronomie auf völlig neuem Niveau. Eine SN in unserer Galaxis würde eine Goldgrube neuer Erkenntnisse für Teilchen- und Astrophysik darstellen. Neutrinomassen-Experimente werden auf (kosmologisch relevante) Massen bis zu 0.03 ev hinab sensitiv sein. Wir werden das Rätsel der kosmischen Strahlung weitgehend lösen, eine Landkarte des Hochenergie-Universums zeichnen und hoffentlich unerwartete Phänomene entdecken. Wir werden Gravitationswellen nachweisen und damit ein völlig neues Fenster zum Universum öffnen.

56 ECAP ist dabei!