VERITAS. Das Teleskop-System für Gamma-Strahlung. Heike Prokoph Technisches Seminar 29. Oktober 2013
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- Eduard Franke
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1 VERITAS. Das Teleskop-System für Gamma-Strahlung Heike Prokoph Technisches Seminar 29. Oktober 2013
2 Überblick > Warum brauchen wir diese Teleskope? Was ist eigentlich Gamma-Strahlung? > Wie können wir Gamma-Strahlung detektieren? Detektionsprinzip von abbildenen Cherenkov-Teleskopen > Die VERITAS Teleskope Aufbau und Funktionsweise VERITAS Upgrades ( ) Beobachtungen mit VERITAS > Was können wir in Zukunft erwarten? Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 2
3 Die Milchstrasse Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 3
4 Das elektromagnetische Spektrum Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 4
5 Das elektromagnetische Spektrum Sternenlicht Optisch Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 5
6 Das elektromagnetische Spektrum Thermische Emission von interstellarem Staub Infrarot Sternenlicht Optisch Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 6
7 Das elektromagnetische Spektrum Molekularer Wasserstoff, kaltes interstellares Medium (Gas) Radio Thermische Emission von interstellarem Staub Infrarot Sternenlicht Optisch Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 7
8 Das elektromagnetische Spektrum Synchrotron-Emission von hochenergetischen Elektronen Radio Molekularer Wasserstoff, kaltes interstellares Medium (Gas) Radio Thermische Emission von interstellarem Staub Infrarot Sternenlicht Optisch Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 8
9 Das elektromagnetische Spektrum Synchrotron-Emission von hochenergetischen Elektronen Radio Molekularer Wasserstoff, kaltes interstellares Medium (Gas) Radio Thermische Emission von interstellarem Staub Infrarot Sternenlicht Optisch Sehr heisses, geschocktes Gas Röntgen Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 9
10 Das elektromagnetische Spektrum Synchrotron-Emission von hochenergetischen Elektronen Radio Molekularer Wasserstoff, kaltes interstellares Medium (Gas) Radio Thermische Emission von interstellarem Staub Infrarot Sternenlicht Optisch Sehr heisses, geschocktes Gas Röntgen Nicht-thermische Prozesse (Teilchenzerfälle/-wechselwirkungen) Gamma Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 10
11 Unsere Galaxie im Gammalicht > 100 MeV Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 11
12 Unsere Galaxie im Gammalicht > 100 GeV ca. 150 Quellen Supernova-Überreste Pulsarwind-Nebel Pulsar Binärsysteme Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 12 Aktive Galaxienkerne
13 Unsere Galaxie im Gammalicht Wie können wir die Quellen hochenergetischer Gammastrahlung detektieren? Supernova-Überreste Pulsarwind-Nebel Pulsar Binärsysteme Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 13 Aktive Galaxienkerne
14 Indirekte Messung von Gammastrahlung > Gammastrahlen wechselwirken mit der Erdatmosphäre Teilchenschauer > Aussendung von CherenkovStrahlung in der Atmosphäre Cherenkovlichtkegel Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 14
15 Detektionsprinzip Cherenkov-Lichtblitz (wenige Nanosekunden lang) Signal Kamera Reflektor Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 15
16 Detektionsprinzip Die ersten Teleskope Cherenkov-Lichtblitz (wenige Nanosekunden lang) Signal Kamera Reflektor Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 16
17 Detektionsprinzip Die ersten Teleskope > 1968: Fertigstellung des Teleskope auf Mt. Hopkins > 1989: Erste Detektion einer Gammastrahlungsquelle Signal Kamera Reflektor Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 17
18 Detektionsprinzip Die ersten Teleskope > 1968: Fertigstellung des Teleskope auf Mt. Hopkins > 1989: Erste Detektion einer Gammastrahlungsquelle > 2011: Abschaltung Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 18
19 Derzeitige Cherenkov-Teleskop-Systeme weltweit Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 19
20 Die VERITAS Kollaboration Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 20
21 VERITAS VERITAS Gebäude mit Kontrollraum TeleskopPlattform Teleskop-Trailer mit Elektronik Standort > Arizona (~32N, 111W, ~1300m a.s.l.) > Fred Lawrence Whipple Observatory (Base Camp) Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 21
22 Teleskop-Anordnung seit 2009 Standortwechsel eines der Telekope Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 22
23 Die Teleskope > Vier identische Teleskope Kamera Stahlkonstruktion mit Tower 12m Durchmesser, 12m Fokallaenge > Spiegelflaeche ~110 m2 350 identische Spiegel (60cm diag.) Neubeschichtung aller ~2 Jahre hohe Reflektivität im Blauen/UV Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 23 Optische Struktur mit Spiegeln
24 Die Kamera > Kamera im Fokus des Spiegels 3.5deg 1m > Bestehend aus 499 PMTs (Photoelektronenvervielfachern) > Lichtkonzentratoren vor den PMTs zur Reduktion von Streulicht Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 24
25 Die Photomultiplier (PMTs) > Umwandlung von Photonen in ein messbares elektrisches Signal Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 25
26 Die Photomultiplier (PMTs) > Umwandlung von Photonen in ein messbares elektrisches Signal > Charakteristika der VERITAS PMTs Höchste Sensitivitaet im UV-blauen Bereich Photonis XP2970 Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 26
27 Die Photomultiplier (PMTs) > Umwandlung von Photonen in ein messbares elektrisches Signal > Charakteristika der VERITAS PMTs Höchste Sensitivitaet im UV-blauen Bereich Kamera Upgrade 2012 Hamamatsu R10560 Photonis XP2970 Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 27
28 Bilder vom Kamera-Upgrade 2012 Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 28
29 Die Photomultiplier (PMTs) > Umwandlung von Photonen in ein messbares elektrisches Signal > Charakteristika der VERITAS PMTs Höchste Sensitivitaet im UV-blauen Bereich Kamera Upgrade 2012 Hamamatsu R10560 ~30% mehr CherenkovLicht detektierbar Photonis XP2970 Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 29
30 Die Photomultiplier (PMTs) > Umwandlung von Photonen in ein messbares elektrisches Signal > Charakteristika der VERITAS PMTs Höchste Sensitivitaet im UV-blauen Bereich Kamera Upgrade 2012 PMTs können nahezu jedes Photon in ein Signal umwandeln (nicht nur Cherenkov-Photonen) Hamamatsu R10560 Trigger-System Photonis XP2970 Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 30
31 Trigger und Auslese PMT Signal > 3-Level Triggersystem zur Unterdrueckung von Hintergrund (z.b Licht des Nachthimmels) Pixel (L1 Trigger) Kamera (L2 Trigger) Array (L3 Trigger) Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 31
32 Trigger und Auslese PMT Signal Pixel (L1 Trigger) > 3-Level Triggersystem zur Unterdrückung von Hintergrund (z.b Licht des Nachthimmels) Readout each pixel in each camera > 500MHz FADCs Abtasten des PMT-Pulses aller 2ns Kamera (L2 Trigger) Array (L3 Trigger) Combining events from all telescopes Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 32
33 Trigger und Auslese PMT Signal Pixel (L1 Trigger) > 3-Level Triggersystem zur Unterdrückung von Hintergrund (z.b Licht des Nachthimmels) Readout each pixel in each camera Kamera (L2 Trigger) Array (L3 Trigger) > 500MHz FADCs Abtasten des PMT-Pulses aller 2ns > Totzeit ~ 10% (bei 300 Hz) Combining events from all telescopes Keine neuen Trigger möglich während der Auslese des Buffers Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 33
34 Signal-Rekonstruktion > Integration (Aufsummieren) des Signals jedes PMTs Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 34
35 Signal-Rekonstruktion > Integration (Aufsummieren) des Signals jedes PMTs > Bild-Analyse in der Kamera Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 35
36 Signal-Rekonstruktion > Integration (Aufsummieren) des Signals jedes PMTs > Bild-Analyse in der Kamera > Rekonstruktion der Richtung Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 36
37 Signal-Rekonstruktion > Integration (Aufsummieren) des Signals jedes PMTs > Bild-Analyse in der Kamera > Rekonstruktion der Richtung > Abschaetzung der Energie aus der Licht-Intensitaet der Bilder > Diskriminierung gegen andere Teilchenschauer durch BildForm und Richtung (>99.9%) Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 37
38 Signal-Rekonstruktion Him m 2013ApJ A > Integration (Aufsummieren) des Signals jedes PMTs elk art e > Bild-Analyse in der Kamera VER J > Rekonstruktion der Richtung > Abschaetzung der Energie aus der Licht-Intensitaet der Bilder > Diskriminierung gegen andere Teilchenschauer durch BildForm und Richtung (>99.9%) Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 38 En erg i es pe ktr um
39 Performance von VERITAS Observatorium zur Beobachtung von hochenergetischer Gammastrahlung > Energie-Bereich ~100 GeV (85 GeV) 30 TeV Niedrigere Energieschwelle seit 2012 (nach Kamera-Upgrade) > Sensitivität 1% des Krebs-Nebelflusses in <30 Stunden > Auflösungen Energie: 15-20% Winkel: 0.1deg Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 39
40 Performance von VERITAS > Beobachtungszeit: >1000 Stunden/Jahr ~800 h astronomischer Dunkelheit VERITAS Beobachtungen während hellem Mondschein +20% bei geringem Mondlicht > NEU: helles Mondlicht (+25%) Nutzung von reduzierter HV & UV-Filter N. Otte Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 40
41 Beobachtungsprogramm mit VERITAS > Beobachtungszeit aufgeteilt auf unterschiedliche Physikthemen > Vier Hauptthemen: Teilchenphysik & Fundamentale Gesetze der Physik Kosmologie Schwarze Loecher Galatische Teilchenbeschleuniger > Fokus auf Langzeitbeobachtungen und weg von reinen Entdeckungen Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 41
42 Beobachtungsprogramm mit VERITAS > Beobachtungszeit aufgeteilt auf unterschiedliche Physikthemen > Vier Hauptthemen: Teilchenphysik & Fundamentale Gesetze der Physik Kosmologie Schwarze Loecher Galatische Teilchenbeschleuniger DESY ist involviert in nahezu allen diesen Physik-Themen > Fokus auf Langzeitbeobachtungen und weg von reinen Entdeckungen Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 42
43 DESY Beteiligung an VERITAS Gernot Bagmeet Lucie (Gareth) > Entwicklung von neuen Analysemethoden > Maintainance eines der Analysesoftwarepakete > Monte Carlo Simulationen (Detektor, atmosphärische Studien, Sensitivität) Stephane Henrike Nathan Heike Christian Roman > Datennahme & Analyse Binärsysteme Galaktische Beschleuniger Aktive Galaxienkerne Suche nach dunkler Materie Spektrum der geladenen kosmischen Strahlung Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 43
44 Identifizierung von kosmischen Teilchenbeschleunigern TeV > Erste nicht-identifizierte Gammaquelle im TeV-Bereich > VERITAS detektiert ausgedehnte Emission Konsistent mit früheren Resultaten Asymmetrische Morphologie E. Aliu et al, Submitted to ApJ (2013) Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 44
45 Identifizierung von kosmischen Teilchenbeschleunigern TeV > Erste nicht-identifizierte Gammaquelle im TeV-Bereich > VERITAS detektiert ausgedehnte Emission Konsistent mit früheren Resultaten Asymmetrische Morphologie > Daten aus anderen Wellenlängen geben Aufschluss über die Quelle TeV ist ein Pulsarwindnebel Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 45 E. Aliu et al, Submitted to ApJ (2013)
46 Physik von aktiven Galaxienkernen B ES > Aktiver Galaxienkern im gleichen Gesichtsfeld wie zwei andere AGNs B > VERITAS detektierte diese Quelle Langzeitbeobachtungen ( ) Variabler Fluß (normalerweise nicht so hell wie sein Nachbar ) W Comae E. Aliu et al, Accepted by ApJ (2013) Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 46
47 Physik von aktiven Galaxienkernen B > Aktiver Galaxienkern im gleichen Gesichtsfeld wie zwei andere AGNs > VERITAS detektierte diese Quelle Langzeitbeobachtungen ( ) Variabler Fluß (normalerweise nicht so hell wie sein Nachbar ) 7th Feb minute exposure Preliminary E. Aliu et al, Accepted by ApJ (2013) HP, Proc. HEPRO 2013 Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 47
48 Zusammenfassung > VERITAS beobachtet Quellen von Gammastrahlung seit 2007 Verbesserungen des Instruments im Laufe der Zeit Neue Entdeckungen und tiefere Einblicke in die Natur der Teilchenbeschleuniger > DESY spielt eine aktive Rolle in VERITAS Größte Gruppe innerhalb der VERITAS Kollaboration mit vielfältigem Physikprogramm Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 48
49 Zusammenfassung > VERITAS beobachtet Quellen von Gammastrahlung seit 2007 Verbesserungen des Instruments im Laufe der Zeit Neue Entdeckungen und tiefere Einblicke in die Natur der Teilchenbeschleuniger > DESY spielt eine aktive Rolle in VERITAS Größte Gruppe innerhalb der VERITAS Kollaboration mit vielfältigem Physikprogramm Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Heike Prokoph Techmisches Seminar DESY, Zeuthen Oktober 2013 Seite 49
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