Was sind Neutrinos. Antares - ein Neutrinoexperiment im Mittelmeer. Jürgen Brunner

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Manfred Melsbach
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1 Antares - ein Neutrinoexperiment im Mittelmeer Jürgen Brunner Was sind Neutrinos? (*) Neutrinoastronomie erste Schritte (*) Das Rätsel der kosmischen Strahlen (*) Wie funktionieren Neutrinoteleskope? Aktuelle Projekte Antares (*) Thanks for material from Ch. Spiering Was sind Neutrinos? 1

2 Das Postulat des Neutrinos: Pauli, 1930 n p + e - Scheinbare Verletzung der Energieerhaltung beim Betazerfall Wolfgang Pauli, 1930 Das Postulat des Neutrinos: Pauli, 1930 n p + e - + ν Wolfgang Pauli,

3 Das Postulat des Neutrinos: Pauli, 1930 n p + e - + ν e Wolfgang Pauli, : Die Entdeckung des Neutrinos Cowan und Reines Nobelpreis

4 Neutrinostrahlen an Beschleunigern p+target π +.. μ + ν Nobelpreis

5 Neutrinoastronomie Erste Schritte Besuch während des Baus von Superkamiokande

6 Neutrinos in (Super)Kamiokande ν e e - ν e + e ν e + e Neutrinos aus der Sonne Temperatur im Sonnenkern ~ 15 Mio K Photon-Weg bis zur Sonnenoberfläche: einige Millionen Jahre Neutrinos: 2 Sekunden 6

7 Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke

~ 160 000 Lichtjahre Neutrino-Signal von

8 ~ Lichtjahre Neutrino-Signal von SN-1987A in Kamiokande SN 1987A Rauschen 8

wurden 11+8+5=24 SN 1987A einige Jahre später Nobelpreis 2002.

9 Neutrinos von SN 1987A weltweit 24 Neutrinos von 3 Experimenten detektiert Weitest entfernte Neutrinos, die jemals nachgewiesen wurden =24 SN 1987A einige Jahre später Nobelpreis für Öffnung des Neutrino-Fensters zum Universum Raymond Davis jr. Masatoshi Koshiba 9

10 Erwartetes Energiespektrum derneutrinos optical: - deep water - deep ice - air showers - radio - acoustics Elektromagnetische Wellen: Bilder des Universums Radio 3-Kelvin Strahlung underground Röntgen- Strahlen γ- Strahlen Sichtbares Licht 10

10 12 10 13 10 14 10 15 ev R a d i o I n

11 Neutrino Himmelskarte? Télescope radio (Bonn) Télescope optique (Palomar, USA) Satellite Rayon X (INTEGRAL, Europe) Télescope gamma (CAT, France) Radio Telescope Optical Telescope X - ray Satellite Neutrino Telescope ( Bonn) (Palomar) (INTEGRAL/ESA) m cm m m µ m n m Å ev R a d i o I n f r a r o u g e Optique R ayons X R ayons G am m a View of sky in Galactic Coordinates in four different photon wavelengths Radio Lumière visible Rayon X Rayon gamma? Visualisations Radio du ciel (repère Visible galactique) light avec lumières X -en rays quatre longueurs d onde Neutrinos différentes Das Geheimnis der kosmischen Strahlung 11

(40 km Höhe) ~ 20 km Reaktion des Primärteilchens

12 Die Entdeckung der kosmischen Strahlung Nobelpreis 1936 ATP Primäres Teilchen Stratosphärischer Ballon (40 km Höhe) ~ 20 km Reaktion des Primärteilchens Höhe Hess Ballon (bis 5 km Höhe) Teilchen-Detektoren 12

13 ATP ATP 13

14 ATP ATP 14

15 ATP ATP 15

16 ATP ATP Energie: LHC

Spektrum der kosmischen Strahlen Nichtthermisches Spectrum Kann durch Stosswellenbeschleunigung erklärt werden Hypothesen fur Quellen existieren Direkter Nachweis bisher nicht gelungen Deutlich

17 Spektrum der kosmischen Strahlen Nichtthermisches Spectrum Kann durch Stosswellenbeschleunigung erklärt werden Hypothesen fur Quellen existieren Direkter Nachweis bisher nicht gelungen Deutlich höhere Energien als am LHC konnen erreicht werden LHC Strahl LHC Schwerpunkt Stoßwellenbeschleunigung? Bei jedem Rückprall erhält der Ball etwas von der Bewegungsenergie der Wände Ball Elektronen, Protonen Wand1: z.b. Explosionswolke einer Supernova Wand2: umgebendes Material Wände: Magnetfelder Tischtennisball Elastische Streuung Wand Wand 17

18 ATP Geladene kosmische Strahlung vs. Gamma-Strahlen und Neutrinos Geladene Teilchen ν γ,ν ATPExtrem hochenergetische geladene Teilchen fliegen fast geradeaus Geladene Teilchen bei ev 18

19 ATPExtrem hochenergetische geladene Teilchen fliegen fast geradeaus Geladene Teilchen bei ev ATP Supernovae: Stosswellen in interstellares Medium bis ev Supernova vom Jahr 1054 Krebs-Nebel 19

ATP Aktive Galaxien: Akkretionsscheiben und Jets

Neutrinos Nur Neutrinos können zweifelsfrei

20 ATP Aktive Galaxien: Akkretionsscheiben und Jets bis ev Radiobild von Cygnus A Teilchenbeschleunigung in Jets Protonbeschleunigung: Protons (CR), Gammas Neutrinos Nur Neutrinos können zweifelsfrei Protonbeschleuniger nachweisen Electronbeschleunigung: Gammas + X-rays Ch. Spiering 20

21 Wie funktionieren Neutrinoteleskope? Neutrino-Teleskop 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 21

wird mit hoher Präzision gemessen Rekonstruktion der Myonspur Myon quasi kolinear mit Neutrinos

22 Myonen können in Wasser oder Eis kilometerweit fliegen und ziehen einen Lichtkegel hinter sich her, da sie mit Überlichtgeschwindigkeit fliegen Myon Detektor: Zeit und Position der Photonen des Lichtkegels wird mit hoher Präzision gemessen Rekonstruktion der Myonspur Myon quasi kolinear mit Neutrinos Neutrino-Kern- Reaktion Neutrino Atmosphärische Neutrinos kosmisches Proton e + μ + π + ν e ν μ ν μ 15 km 22

Existierende Neutrinoteleskop-Projekte Antares Baikal IceCube

optisches Rauschen, steril, sensitiv auch auf niederenergetische Neutrinos

not visible CRAB <25% exposure SS433 Mkn 501 RX J1713.

23 Existierende Neutrinoteleskop-Projekte Antares Baikal IceCube Komplementarität Nord-Süd IceCube (Südpol) ANTARES (43 Nord) Eis Kein optisches Rauschen, steril, sensitiv auch auf niederenergetische Neutrinos Wasser Weniger Lichtstreuung bessere Winkelauflösung Mkn 421 SS433 Mkn 501 not visible CRAB <25% exposure SS433 Mkn 501 RX J GX339-4 CRAB VELA Galactic Centre Komplementärer Himmelsausschnitt, wenn nur Signale von unten betrachtet werden 23

24 ANTARES Detektorentwicklung und Messung der Tiefseeparameter Konstruktion Datennahme ANTARES Kollaboration & Detektorstandort ANTARES Uferstation 23 Institutes from 7 European countries 40 km submarine cable -2475m 24

25 Der ANTARES Standort & Infrastruktur Uferstation V. Bertin - CPPM - Roma IFREMER Toulon Site 15 km from shore FOSELEV Schiffswerft Submarine 40 kmcable Der ANTARES Detektor 2500m 900 PMTs 12 Linien 25 Etagen / Linie 3 PMTs / Etage 450 m 40 km zum Ufer Verteiler Box 70 m Verbindungskabel 25

Die Antares-Etage Optische Leuchtfeuer mit blauen LEDs: Zeiteichung Titaniumrahmen

3 ns) Photonennachweis Lokales Kontrollmodul (im Ti Zylinder): Digitalisierung der PMT

Positionierung La Seyne-sur-Mer Konstruktion von ANTARES 40 km Oct. 01: MEO Cable Dec.

26 Die Antares-Etage Optische Leuchtfeuer mit blauen LEDs: Zeiteichung Titaniumrahmen Optisches Modul: 10 Hamamatsu PMT in 17 Glaskugel (σ TTS 1.3 ns) Photonennachweis Lokales Kontrollmodul (im Ti Zylinder): Digitalisierung der PMT signale Integrierter Computer (IP Adresse, telnet) Hydrophon: 51 akustische Positionierung La Seyne-sur-Mer Konstruktion von ANTARES 40 km Oct. 01: MEO Cable Dec. 02: Junction Box May 08: Lines 11 & 12 Jan. 07: Lines 3, 4 & 5 Mar. 06: Line 1 Sept. 06: Line 2 Dec 07: Lines 6-10 Instrumentation line 26

27 2001: Verlegung des Tiefseekabels 2002: Wasserung der Verteilerbox 27

28 Line 1 Erste komplette Detektorlinie (2006) Installation einer Detektorlinie mit der CASTOR 28

29 Verbindung der ersten Detektorlinie mit ferngesteuertem U-Boot von IFREMER Verbindung am Linienfuß ROV VICTOR 29

Verteilerbox heute 12 + 1 Linie erfolgreich

(pings) zwischen festen Sendern am Seeboden

Triangulation und Bestimmung der Positionen

30 Verteilerbox heute Linie erfolgreich verkabelt Photo vom U-Boot Mai 2008 Akustisches Positionierungssystem Empfänger Laufzeit der akustischen Signale (pings) zwischen festen Sendern am Seeboden und Empfängern auf den Linien erlauben Triangulation und Bestimmung der Positionen Position der Empfänger (Hydrophone) relativ zum Linienfuß Sender 30

31 Implosion eines Photomultipliers Etwa ~10 Fälle identifiziert Wassereinbruch am Kabeleintritt verantwortlich Implosion einer Druckglaskugel nie vorgekommen Erstes Neutrino März

32 Erwartete Muonraten im Detektor Atmosphärische Neutrinos Atmosphärische Muonen in 2000m Tiefe Nach oben Nach unten horizontal 2008: Neutrinoernte 174 aktive Tage 599 Kandidaten 32

5-Linien Himmelskarte 94 hochenergetische

33 Kosmische Neutrinos? Bisher nichts gefunden Himmelskarte kompatibel mit gleichmäßig verteilten atmosphärischen Neutrinos Neutrinoflussgrenzwerte für ausgesuchte Quellen 5-Linien Himmelskarte 94 hochenergetische Neutrinokandidaten Deklination Erwartete Himmelskarte für Neutrinokandidaten Analyse noch nicht beendet 33

Bertin - CPPM - ARENA'08 @ Roma Akustische

Richtungsbestimmung von einer einzelnen Etage Alle

Bertin - CPPM - ARENA'08 @ Roma Dominante Quellen:

34 Akustischer Neutrinonachweis neutrino Hydrophondetector Teilchenschauer V. Bertin - CPPM - Roma Akustische Schockwelle Winkelverteilung von Tiefseegeräuschen Richtungsbestimmung von einer einzelnen Etage Alle Signalarten benutzt Ein Monat Daten V. Bertin - CPPM - Roma Dominante Quellen: Fährlinien nach Korsika Antares Positionierungssystem Kay Graf (ECAP) VLVnT 09, Athens October

35 Optisches Rauschen der Photomultiplier Beiträge von Radioaktivität ( 40 K) und Biolumineszenz Biolumineszente Tiefseeorganismen 10. Juni 2004 What will Antares find? Neutrinos or fish? Sheldon Glashow 35

36 Installation von 2 Kameras + Infrarotquellen Selbstauslöser im Falle eines Biolumineszenzblitzes Infrarotquelle wird angeschaltet nach Selbstauslöser, PMT ebenfalls ausgelesen Installation 2007 Etage 1 Etage 5 Kamera Seeströmungsmesser Kamera PMT PMT 36

systematische Auswertung durch Meeresbiologen erfolgt Tiefste online-kameras der Welt!

37 Kontinuierliche Datennahme Mehr als 500 Tage aktive Beobachtungszeit ~250 Bioluminescenz Photos/Filme aufgezeichnet Verschiedene Signaltypen leicht zu unterscheiden Noch keine systematische Auswertung durch Meeresbiologen erfolgt Tiefste online-kameras der Welt! Antwort an Sheldon Glashow Antares findet Neutrinos UND Fische. aber mehr Neutrinos ANTARES NIMMT DATEN 37

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