IceCube - Astrophysik mit kosmischen Neutrinos am Südpol
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- Samuel Bader
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1 IceCube - Astrophysik mit kosmischen Neutrinos am Südpol Hermann Kolanoski Humboldt-Universit Universität zu Berlin 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 1
2 kosmische Neutrinos, die wir kennen: Sonne im Neutrinolicht 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 2
3 kosmische Neutrinos, die wir kennen: Supernova-Neutrinos Supernova SN1987A Neutrinos E -t Lichtkurve 7 Jahre später (Hubble) Supernova-Alarm auch aus dem Südpoleis (siehe später) 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 3
4 kosmische Neutrinos, die wir kennen: Atmosphärische Neutrinos Defizit aufwärts abwärts 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 4
5 Geladene kosmischen Strahlung PeV EeV ZeV 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 5
6 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 6
7 Hillas-Diagramm Fragen: Wo werden die hohen Energien erzeugt? Wo herrschen die dafür notwendigen Bedingungen: B L 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 7
8 Kosmische Beschleuniger Supernovarest Schwarzes Loch GRB 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 8
9 Aktive Galaktische Kerne The first image is a Hubble Heritage image of M87, while the second one is a schematic diagram of an AGN 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 9
10 The electromagnetic spectrum of the TeV Gammasources known until now Synchr. Inv. Compt. / TeV Radio optical X-ray GeV TeV IR UV MeV 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 10
11 Warum Neutrinos? Astrophysical source High energy protons 50 Mpc neutrinos High energy gammas 10 Mpc Low energy protons deflected 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 11
12 Nachweis hochenergetischer Neutrinos Erde als Filter: Methode für ν μ und geeignet ν μ (ν τ ) μ + X νn-wirkungsquerschnitte 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 12
13 AMANDA-II Construction: strings, 677 OMs Prototyp von IceCube (V= 1 km 3 ) V ~ km 3
14 AMANDA / IceCube ν μ + N μ+ X high energy μ above C-threshold in ice 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 14
15 AMANDA-Physik Atmospheric neutrinos Point source searches Gamma-ray bursts Dark Matter, WIMPs Galactic plane Diffuse extra-terrestrial search Supernovae Monopoles Cosmic ray composition Searches for new physics 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 15
16 Atmospheric neutrinos Measurement extracted with a regularised unfolding technique Limit on diffuse E -2 ν μ flux ( TeV): E 2 Φ νμ (E) < GeV cm -2 s -1 sr -1 Includes 33% systematic uncertainty 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 16
17 AMANDA skyplot ES , an Active Galactic Nucleus already known as a potential hadron accelerator: neutrinos are likely to be emitted 3329 events 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 17
18 Did we see already the first signal? Flux of TeV photons (arb. units) 3 Arrival time of the neutrinos from the direction of ES detected by AMANDA ν ν May June July Gamma-rays detected by a TeV gamma telescope Year 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 18
19 SNEWS SuperNova Early Warning System Reaktionen von MeV-Neutrinos aus einem Supernova-Burst in unserer Galaxis würden die Rauschraten aller Photomultiplier für 5-10 Sekunden um einige Hertz nach oben treiben. alle 50 Jahre? 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 19
20 Dunkle Materie sun χ interactions earth scatt ν capture annihilation detector qq χχ l l... υ μ ± Z H W, 0,
21 Dunkle Materie ERDE: Sonne: Excluded by CDMS Ref. CDMS: D.S. Akerib et al., Phys. Rev. Lett., 93, (2004) Methode beschrieben in: D. Hubert et al., ICRC 2005, Pune, astro-ph/ Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 21
22 upper limit (cm -2 s -1 sr -1 ) Soudan KGF Amanda MACRO Orito Baikal δ electrons 0.50 IceCube β = v/c Relativistic Magnetic Monopoles Cherenkov-Light n 2 (g/e) 2 n = 1.33 (g/e) = 137 / Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 22
23 Cascades inside detector Sensitive to all 3 flavors Sensitive to all 3 flavors CC electron and tau neutrino interaction: ν (e,τ,) + N (e, τ) + X NC neutrino interaction: ν x + N ν x + X Color displays: LE Primary Channels Size displays: ADC Size scaling: Lin <4 <9 <13 <17 <22 <26 <31 <35 <40 <44 <49 <53 <58 <62 <67 <71 No external geometry file is opened. Detector: amanda-b-10, 19 strings, 680 modules Data file: he_deff.f2k Displaying data event from run 336 Recorded yr/dy: 2000/ seconds past midnight. Before cuts: 264 hits, 264 OMs After cuts : 264 hits, 264 OMs E 2 Φ all ν < GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 23
24 Experimental all-flavor limits 1: Amanda-B10, muons 3: Baikal all flavor 5: Amanda cascades 2: Amanda-II, muons 4: Amanda all flavor UHE Expected: 6: Amanda-II, 4 years 7: IceCube 3 years 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 24
25 Cascade Energy = 375 TeV event ν e + N --> e- + X The length of the actual cascade, 10 m, is small compared to the spacing of sensors ==> roughly spherical density distribution of light 1 PeV 500 m diameter Local energy deposition = good energy resolution of neutrino energy 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 25
26 80 Strings 4800 PMTs Instrumented Volume: 1 km 3 Installation: Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 26
27 80 Strings 4800 PMTs Instrumented Volume: 1 km 3 Installation: Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 27
28 6 Amanda modules Super- Kamiokande (Japan) IceCube AMANDA-II 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 28
29 Von AMANDA zu IceCube 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 29
30 The IceCube Collaboration IceCube and AMANDA collaborations merged, March Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 30
31 Cherenkov tank arrays: IceTop Southpole, Antarctica 1 km² 80 Stations x 2 x 3.14 m² = 503 m² E > 0.3 PeV slightly larger than K- GRANDE 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 31
32 IceCube: DOM 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 32
33 10 PMT Hamatsu Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 33
34 Track Reconstruction in Low Noise Environment Typical event: PMT fired Track length: km Flight time: 4 µsecs Accidental noise pulses: 10 p.e. / 5000 PMT / 4 µsec IceTop 1200 m IceCube AMANDA 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 34
35 Season Highly successful season! First string deployed December 25 th Eighth string deployed January 29 th (9 total) Dust logger and standard candle 12 IceTop stations deployed (16 total) First events already reconstructed 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 35
36 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 36
37 Hose reel A view from last season Drill tower Hot water generator Thermal power: 5MW IceTop tanks Working time: Nov. - mid-feb Plan: deploy 14 strings/season Completion: Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 37
38 Hot Water Drilling IceCube EHWD significant operation entire drill camp setup, including generators, heater plants, fuel systems, and support workshops. This camp doesn t move during the season. 2 drill towers connect to central plants and leapfrog over holes. 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 38
39 Deployment 99% of 604 DOMs survive deployment and freeze-in 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 39
40 Ice Top 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 40
41 Dust logger 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 41
42 Diffusion/Absorption Absorptionslänge : ~110 m Diffusionslänge: ~20 m (λ = 400 nm) Diffusion Absorption 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 42
43 The first muon IceTop shower coincident event 6 January 23 First runs with the four IceTop stations (8 tanks) taken January 29 1:31 First IceCube string deployed February 9 First shower/muon coincidence events found 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 43
44 Upgoing neutrino-induced muon in IC-1, number 1 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 44
45 Upgoing neutrino-induced muon in IC-1, number 2 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 45
46 Airshower event in IceTop 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 46
47 Neutrino Telescopes in Water and Ice Super-K μ Antares Nestor Baikal Km3: Nemo ν Amanda Km3: IceCube 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 47
48 μ cm -2 s -1 Super-K, MACRO SS-433 Achieved and expected sensitivities to steady point sources AMANDA Antares Baikal, Nestor GX Mk-501 ν/γ ~ KM3 in Mediterr. IceCube Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 48
49 Above PeV: 10 cm P 50 μs attenuation length in ice 1-4 km!! t nsec 5-10 m 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 49
50 RICE Radio Ice Cherenkov Experiment Firn ice (down to 120 m depth) 20 transmitter + receiver UHE NEUTRINO DIRECTION E 2 dn/de < 10-4 GeV cm -2 s -1 sr METER DEPTH at 100 PeV 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 50
51 Sehen und Hören: Nutze alle Sinne Teilchen hören?!! Akustische Sensoren für den IceCube Detektor Thermoakustisches Modell: Ultrahochenergetische Kaskade Lokale Erwärmung Expansion Schallwelle Akkustische Sensoren 180 MeV Protonen TSL, Uppsala 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 51
52 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 52
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