Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 06, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken Neutrino-Astronomie - Signal & Untergrund im Wasser & unter Eis - n-teleskope: Antares & KM3NeT IceCube & Resultate KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Energiespektrum & Hillas-Plot Energiespektrum zeigt Variationen: - Protonenknie bei E ~ 4 PeV - Eisenknie bei E ~ 100 PeV - Übergang galaktische zu extragalaktische Strahlung ~ ev - Propagationseffekte: Diffusion im galaktischen B-Feld Hillas-Plot Schockfront mit ß s Larmor-Radius des Teilchens < Dimension der Quelle (notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium) E max ~ ß s z B L - hohes B, kleines L: GRBs, Pulsare - kleines B, großes L: AGN-Jets, B beschleunigtes Teilchen mit Ladung z G. Drexlin VL06

3 UHECRs & GZK-Cutoff SN-Schockfronten = effektive Teilchenbeschleuniger (Fermi) (Effizienz: einige %) dn( E) Power-Law Spektrum de ~ g E Resonante Streuung mit CMB UHECR erzeugt D + Resonanz mit 3K Hintergrundphotonen der CMBR p + g (2.7 K) D + p + p 0 GZK Cutoff G. Drexlin VL06

4 Neutrino-Teleskope UHE Neutrinos: Erzeugung in astrophysikalischen Beschleunigern - Nachweis über CC & NC Reaktionen in großvolumigen Neutrinoteleskopen - im Eis (IceCube) - unter Wasser (KM3NeT) Nachweismechanismus: - hochenergetisches n µ erzeugt relativistisches Myon mit großer Reichweite, das Cherenkovlicht emittiert - Detektion des Cherenkovlichts mit PMT-Array (3-dim) in einem Myon instrumentierten Volumen von km 3 PMTs CC Neutrino G. Drexlin VL06

5 UHE Neutrino-Punktquellen Neutrino-Astronomie: Quellen: - AGN-Jets (aktive Galaxien) - GRBs (Gammastrahlen-Burst) - µ-quasare (galaktisch) Modell: - UHE Protonenbeschleuniger beam dump (Materiewolke) p + p p + p + p + n µ + µ + e + + n e + n µ - UHE Neutrinos n µ, n e, aus Pion-Myon-Zerfallskaskade - UHE Neutrinos werden nicht abgeschirmt (Dunkelwolken, ) - Nachweis über Ww. in Erde AGN-Jet Absorber extragalaktische Strahlung G. Drexlin VL06

6 UHE Neutrinos Neutrino-Astronomie: Quellen: - AGN-Jets (aktive Galaxien) - GRBs (Gammastrahlen-Burst) - µ-quasare (galaktisch) Modell: - UHE Protonenbeschleuniger beam dump (Materiewolke) p + p p + p + p + n µ + µ + e + + n e + n µ Flavourzusammensetzung: - an der Quelle n e : n µ : n t = 1 : 2 : 0 - nach Propagation (n-oszillation) n e : n µ : n t = 1 : 1 : 1 vgl. ATP-II AGN-Jet Absorber extragalaktische Strahlung G. Drexlin VL06

7 AGNs und p-beschleuniger Protonen aus SPS p Target (beam dump) AGN-Jet extragalaktische Strahlung Hörner (Fokussierung) Zerfallstunnel vgl. ATP-II Absorber Absorber Instrumentierung Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik n Detektor G. Drexlin VL06

8 n-fluss (cm -2 s -1 sr -1 s) Nachweis von UHE Neutrinos - Untergrund Hauptuntergrundquellen: - Myonen aus Schauerprozessen der kosmischen Strahlung - atmosphärische n µ n e aus Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung Absorber atmosphärische Neutrinos kosmische Strahlung (Myonen) Polarwinkel cos Q G. Drexlin VL06

9 n-fluss (cm -2 s -1 sr -1 s) Nachweis von UHE Neutrinos - Myonen Hauptuntergrundquellen: - Myonen aus Schauerprozessen der kosmischen Strahlung laufen nach unten (cos q > 0), ~ 10 6 häufiger als n-induzierte Signale Abtrennung atmosphärischer Myonen ( Untergrund) durch Polarwinkelschnitt cos Q < 0 - selektiere nach oben laufende Myonen atmosphärische Neutrinos UHE Neutrinos Q Polarwinkel cos Q G. Drexlin VL06

10 n-fluss (cm -2 s -1 sr -1 s) Nachweis von UHE Neutrinos - Myonen Hauptuntergrundquellen: - Myonen aus Schauerprozessen der kosmischen Strahlung können durch einen Vetodetektor oberhalb des Experiments abgetrennt werden Polarwinkel cos Q G. Drexlin VL06 Abtrennung der atmosphärischen Myonen (Untergrund) durch Vetodetektor atmosphärisches Myon erzeugt Hit im oberirdischen Vetozähler (IceTop) atmosphärisches Neutrino erzeugt Hit nur im Neutrino- Detektor (IceCube)

11 Nachweis von UHE Neutrinos - Erde Neutrinos und Erd-Opazität: - tiefinelastische Streuung s n ~ E n (E n = 100 TeV s n = 10-7 mbarn) - ab ~100 TeV beginnt die Erde opaque für n s zu werden Neutrinowirkungsquerschnitte s n & freie Weglänge l n : l N A ( E ) 1 n Erde s n n n n-überlebenswahrscheinlichkeit P beim Durchgang (Strecke d) durch Erde P( E n ) e d l n Erde G. Drexlin VL06

12 E 2 F n (GeV sr -1 s -1 cm -2 ) UHE Neutrino-Energiespektrum Hauptuntergrundquellen: - atmosphärische n µ n e aus Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung atmosphärische n s 10-5 atmosphärische Neutrinos AGN n s M87: AGN Jetstruktur 10-8 Modelle AGN-Zentrum Sensitivität IceCube Sensitivität AMANDA Modelle AGN-Jets Neutrino-Energie (GeV) G. Drexlin VL06

13 Nachweis von UHE Neutrinos CC Reaktionen von UHE n µ s erzeugen hochenergetische GeV/TeV/PeV Myonen - E(µ) ~ E(n µ ) Myonen haben große Reichweite in Eis/Wasser 1 PeV: R µ = 1.7 km 10 PeV: R µ = 7 km Emission von Cherenkov- Licht mit q c ~ 43 simulierte Himmelskarte im n-licht PMT R i n µ Myon t 0 (x 0,y 0,z 0 ) q c Spur-Rekonstruktion aus PMTs q n ~ ( E n 0.7 [ TeV 0.6 ]) d i L q i c d i tan q c Wellenfront Rekonstruktion G. Drexlin VL06

14 Nachweis von UHE Neutrinos CC Reaktionen von UHE n µ s erzeugen hochenergetische GeV/TeV/PeV Myonen - E(µ) ~ E(n µ ) Myonen haben große Reichweite in Eis/Wasser 1 PeV: R µ = 1.7 km 10 PeV: R µ = 7 km Emission von Cherenkov- Licht mit q c ~ 43 Spur-Rekonstruktion aus PMTs q n ~ ( E n 0.7 [ TeV 0.6 ]) G. Drexlin VL06

15 Nachweis von UHE Neutrinos: Eis & Wasser Neutrino-Teleskope im Eis & unter Wasser n-teleskop im antarktischen Eis Tiefsee-n-Teleskop im Mittelmeer - gute optische Transparenz - Streuung an Staubteilchen - PMTs niedrige Rauschrate - aufwändige Infrastruktur - Oberflächenveto - optische Transparenz - Bewegung der PMT-Strings - PMTs hohe Untergrundrate - aufwändige Infrastruktur - Ozeanographische Studien G. Drexlin VL06

16 Absorptionskoeffizient (m -1 ) Beispiel: Lichttransport in Eis & Wasser Neutrino-Teleskope im Eis & unter Wasser: Nachweise der Cherenkov-Strahlung Eis ist das bessere Medium Parameter Eis Wasser 0.10 opt. Transparenz Staub variabel 0.08 Biolumineszenz keine ja PMT Rauschrate niedrig khz 0.06 ANTARES Winkelauflösung < Intensität I(n) ~ Frequenz n 0.02 IceCube ~100 m! Transparenz im blauen Bereich wichtig Wellenlänge (nm) G. Drexlin VL06

17 Nachweis von UHE Neutrinos: Wasser weitere Kriterien für Standort-Auswahl: - optische Streuung, Stärke der Meeres-Strömungen - Biolumineszenz - Sedimentation - K-40 Untergrundrate Boroe - Topologie Meeresboden - Infrastruktur an Land Bathyctena Deiopea K G. Drexlin VL06

18 Tiefseetechnologie Tiefseetechnologie für 1 km 3 Wasserdetektor: - Hochseeschiff (Verlegung) - elektro-optisches Kabel (L = km) Verteilerbox, 50 kw für PMTs Signal-Bandbreite > 100 Gb/s - Hydrophone (Position) - Tiefseetauchroboter G. Drexlin VL06

19 L = 400 m (je 75 PMTs) ANTARES Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch ANTARES - n-teleskop: Mittelmeer vor Toulon (2-2.4 km) - Konzept: flexible Strings mit PMT-Tripels, akustische Transponder (Position) - Fläche A = 200 m 200 m (A eff = 0.1 km 2 ) : Beginn F&E, 2001: erstes Kabel : 12 Strings, seither Datennahme, Nachweis Oszillationen von n atmos 12 vertikale Strings mit je 25 Triplets G. Drexlin VL06

20 NEMO NEutrino Mediterranean Observatory: - italienisches Pilotprojekt (F&E seit 1998) - Vorbereitung & Tests für KM3NeT Phase-I: - Prototyp Turm: 4 instrumentierte Alu- bars - erfolgreicher Betrieb über mehrere (!) Monate NEMO Design elektrooptisches Kabel Boje Verteiler optische Module Turm Phase-II : erster Turm in 3500 m Tiefe installiert km langes elektro-optisches Kabel - instrumentierter Turm mit 16 Alu-Armen (4 PMTs) Anker G. Drexlin VL06

21 NESTOR Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research: - griechische Pilot-Untersuchungen im ionischen Meer (F&E seit 1991) - verschiedene Tiefsee-Standorte in d > 3500 m Konzept: hexagonaler Stern aus Titan-Rohren mit 2 PMTs an jedem Strahl 2004: Installation eines Prototyps & erste Messungen 2008: Installation eines Turms mit 5 Sternen G. Drexlin VL06

22 KM3NeT Konsortium KM3Net europäisches Konsortium für ein ~5 km 3 großes vernetztes Neutrinoteleskop im Mittelmeer (~200 M Kosten) Ziele: - Abdeckung der südlichen Hemisphäre in UHE Neutrinos - Punktquellen TeV: galaktisches Zentrum, - bessere Sensitivität als IceCube angestrebt + + ANTARES Toulon 2500 m NESTWR = -Fr -It -Gr NEMO Capo Passero 3500 m Pylos 4500 m G. Drexlin VL06

23 KM3NeT Konsortium - Status KM3Net F&E Arbeiten zur Entwicklung eines DOM - Digital Optical Module (17-inch Durchmesser) bestückt mit 31 3-inch PMTs zum Nachweis von Cherenkov-Licht - erster KM3NeT-DOM-String in Betrieb bei ANTARES 3 inch- PMT KM3NeT- DOM 600 Strings DOMs 17 inch G. Drexlin VL06

24 Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) GVD russisches n-teleskop im Baikal-See (Sibirien), aufbauend auf Pionier-Experiment Lake Baikal in den 80-er/90-er Jahren Oberfläche Dubna -Cluster obere Schwimmer Cluster - oben Zeitpäne für Aufbau von GVD : erster Cluster mit 192 PMTs : Cluster (V ~ 0.4 km 3 ) - danach: zweite Stufe von GVD mit 27 Clustern (V = 1.5 km 3 ) na sdarowje Cluster - unten Seeboden G. Drexlin VL06

25 IceCube an der Südpolstation Südpol Amundsen-Scott Südpolstation 1500 m nicht maßstäblich AMANDA 2000 m G. Drexlin VL06

26 Eistiefe (m) IceCube Neutrinoteleskop Eisoberfläche IceTop 0 Schnee Photomultiplier verteilt in einem 1km 3 Volumen in 80 PMT-Strings - PMT s in km Tiefe - Fertigstellung im März Myonen ab Schwelle E thres = 100 GeV G. Drexlin VL06

27 Eistiefe (m) IceCube Neutrinoteleskop IceTop Eisoberfläche 0 80 Strings mit 60 PMTs (DOM) in hexagonalem Grid (d = 125 m) Schnee µ-spur G. Drexlin VL06

28 Eistiefe (m) IceCube Neutrinoteleskop IceTop Eisoberfläche 0 aus dem Zeitverhalten der PMTs: Bestimmung der Myon-Richtung Schnee Digitales Optisches Modul p > 200 atm Anschluss HV-Teiler Mainboard LED Mu- Metall PMT RTV-Gel Glas-Druckbehälter G. Drexlin VL06

29 Ereignisse (in 662 Tagen) Analyse-Schwelle IceCube - Resultate Untergrund: atmosphärische Myonen (nachgewiesen) Untergrund: atmosphärische Neutrinos (p/k-zerfälle) Untergrund: alle Ereignisse atmosphärische Neutrinos aus Charm (Theorie) atmosphärische Neutrinos (90%CL Limit für Charm) Signal & Untergrund (bester Fit mit E -2 Spektrum) alle Ereignisse (Trigger-Level) Daten PMT-Ladungssignal (Photoelektronen) G. Drexlin VL06

30 Ereignisse (in 662 Tagen) IceCube 28 höchstenergetische Events Untergrund: atmosphärische Myonen (nachgewiesen) Untergrund: atmosphärische Neutrinos (p/k-zerfälle) Untergrund: alle Ereignisse atmosphärische Neutrinos aus Charm (Theorie) atmosphärische Neutrinos (90%CL Limit für Charm) Signal & Untergrund (bester Fit mit E -2 Spektrum) Daten im Detektor deponierte Energie (TeV) G. Drexlin VL06

31 IceCube 2 der höchstenergetischen Events Bert 1.04 PeV Ernie 1.14 PeV Zeit [µs] Zeit [µs] G. Drexlin VL06

32 Ereignisse in 662 Tagen IceCube Richtungskorrelation IceCube-Energiespektren 1/ TeV 2 PeV f ~ E -2 (power law Spektrum) IceCube-Richtungskorrelation Suchkriterien: - alle Raumrichtungen - >6000 Photoelektronen Resultate: - 28 Ereignisse, davon 7 mit µ-spur (d.h. von n µ ) - ( ) Ereignisse durch atmosphärische n s - 4s Evidenz für astrophysikalische Neutrinos Südhimmel (nach unten) Nordhimmel (nach oben) sin (Deklination) G. Drexlin VL06

33 IceCube UHE Neutrinos IceCube beobachtet UHE Neutrinos mit astrophysikalischem Ursprung G. Drexlin VL06

34 IceCube Gen2 Planungen für eine Erweiterung von IceCube auf multi-km 3 Volumen für PeV-n-Astronomie IceTop geplante Erweiterung von IceTop (Veto gegen atmosphärische Ereignisse, CR-Physik) bisheriger Detektor mit V = 1 km 3 bisheriger Deep Core Bereich für Suche nach Dunkler Materie (s. Kap. 3.4) Fels (Grundgestein) geplanter Detektor mit V = multi-km 3 (10 km 3 ) Erweiterung des Abstands vom PMTs auf d > 250 m (hohe optische Güte des antarktischen Eises), d.h. nur Verdoppelung der Instrumentierung Ziel: Implementierung 7 Jahre nach Förderzusage(n) durch NSF, G. Drexlin VL06

35 klarstes Eis m Staubkonzentration IceCube PINGU 40 PINGU Strings (je 60 DOMs) PINGU-DOMs 86 Strings 2010/11 PINGU - Precision IceCube Next Generation Upgrade - Planungen für eine Erweiterung von IceCube für niedrige n-energien (multi-gev) zur Untersuchung der Massenhierarchie von Neutrinos (vgl. ATP-II, Kap. 5) - Einbeziehung von Materieeffekten in Oszillationsanalysen Staubschicht PINGU String: 60 DOM s 5m Abstand G. Drexlin VL06