Das Neutrino-Observatorium IceCube
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- Wolfgang Bergmann
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1 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 1 Kosmische Signale im Südpoleis: Das Neutrino-Observatorium IceCube - was man von den Neutrinos über unser Universum lernen kann Hermann Kolanoski Humboldt-Universit Universität zu Berlin
2 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 2 Wovon ich erzählen will: Die Boten aus dem All: Licht, Mikro- und Radiowellen, Gamma-Strahlung,..., Kosmische Strahlung und Neutrinos Neutrinos im Leben und Tod von Sternen Neutrinos als Boten kosmischer Beschleuniger Neutrino-Observatorium IceCube IceCube-Physik: Suche nach Punktquellen: GRB, AGN, SNR,... diffuser Fluss aus der galaktischen Ebene Dunkle Materie...
3 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 3 für Astronomie, Astro(teilchen)physik, Kosmologie, Das Spektrum elektromagnetischer Wellen
4 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 4 Energiegrößen: Energien ev 10 0 Licht kev 10 3 Röntgen MeV 10 6 Kernenergie GeV 10 9 Gamma-Strahlung TeV LHC-Collider PeV Kosm.Strahlung (SNR) EeV Extragal. kosmische Str.... x = h/ p E=kT E=mc 2 Wellenlänge: Temperatur: 1 ev ~200 nm 1 ev ~10000 Kelvin Masse: E=mc 2 H-Masse etwa 1 GeV/c 2
5 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 5 Oberflächentemperaturen Temperaturen im Kosmos Temp.Gleichgewicht Schwarzkörper- Strahlung Kerntemperaturen Fusion ~ 100 kev die höchsten thermischen Energien ~ harte Röntgenstrahlung
6 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 6 Das nicht-thermische Universum Gamma-Strahlung Fermi-Experiment
7 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 7 Viktor Hess 1912 Kosmische Strahlung
8 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 8 Geladene Kosmische Strahlung Teilchen pro (Fläche Zeit Energie) Wo werden die höchsten Energien produziert??? direkt indirekt LHC
9 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 9 Kosmische Beschleuniger Supernova-Rest Schwarzes Loch Gamma-Strahlungsausbrüche Fermi-Beschleunigung an Stoßfronten
10 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 10 Fragen: Wo werden die hohen Energien erzeugt? Wo werden die notwendigen Bedingungen erfuellt: B L gross Hillas-Diagramm
11 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 11 Aktive Galaktische Kerne Hubble Heritage Bild von M87 Modell einer AGN Ursprung der HE kosmischen Strahlung?
12 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 12 Proton/Kernoder Elektron Beschleuniger? Elektron-Beschleuniger-Spektrum Synchr. Invers- Compton Radio optical X-ray GeV TeV IR UV MeV / TeV
13 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 13 Hadronische Reaktionen p pp pn pn sichtbar in TeV-Gamma-Teleskopen da aber auch eγ eγ ( leptonisch ) Neutrinos eindeutig für hadronisch
14 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 14 Verschlungene und gerade Wege Geladene Teilchen Neutrino Gamma, Neutrino
15 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 15 Was sind eigentlich Neutrinos? Neutron Proton + Elektron + Neutrino n e p Wolfgang Pauli postulierte 1930 das Neutrino, um nicht Energie- Impuls-Erhaltung in Neutronzerfall aufgeben zu müssen.
16 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 16 Sonne im Neutrino-Licht Neutrinos von der Sonne Wasserstoffbrennen in der Sonne p p Wasserstoff p = Proton = H-Kern n = Neutron = Neutrino e + = Positron = Anti-e - pn = Deuterium 2p2n = He-Kern e + n p 4 H 1 He + 2 e Energie in 8 Min. bei uns in ~ Jahren bei uns Helium
17 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 17 Sonne im Neutrino-Licht Die unsichtbaren Neutrinos 65 Milliarden pro cm 2 s 1x pro Woche Aber: 5 Berliner pro Sekunde trifft es!! von Trillionen pro Sek. durch unseren Körper bleibt nur 1 pro Woche stecken!!
18 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 18 Nachweis von Neutrinos Super-Kamiokande ø=39.3m h=41.4m 50 kt Wasser
19 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 19 zum ersten Mal kosmische Neutrinos von außerhalb des Sonnensystems: Neutrinos von SN1987A Supernova SN1987A Lichtkurve 7 Jahre später (Hubble) Neutrinos 3 Stunden vor Lichtblitz Neutrino-Blitz wenige Sekunden lang 99% der Energie in Neutrinos
20 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 20 Für jeden Geschmack etwas Bausteine der Materie Quarks Heute nicht unser Thema Heute nicht unser Thema Leptonen Alle 3 Flavors treten z.b. in Supernova-Explosionen auf
21 Atmospherische Neutrinos 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 21
22 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 22 Zwischenbilanz: Was haben wir gelernt? Unerklärte hohe, nicht-thermische Energien in kosmischer Strahlung Wo sind die Beschleuniger? Kandidaten: extragallaktische Objekte wie AGN, GRB,...? Nur hochenergetische Neutrinos eindeutig für Beschleunigungsmechanismus Neutrinos sind etwas sehr Alltägliches and Häufiges im Kosmos Aber sie sind schwer nachzuweisen Andererseits ermöglichen sie tieferen Einblick in dichte Materie
23 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 23 Nachweis hochenergetischer Neutrinos von kosmischen Beschleunigern? Ganz schön schwierig Brauchen etwas Großes und Transparentes Wasser oder Eis
24 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 24 Amundsen Scott Station
25 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 25 IceCube IceTop 86 Strings bis 2450 m tief 5160 Optische Module Instrumentiert: 1 km 3 Installation: IceCube 1000 m DeepCore
26 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 26 The IceCube Collaboration USA: Bartol Research Institute, Delaware Pennsylvania State University UC Berkeley UC Irvine Clark-Atlanta University University of Maryland University of Wisconsin-Madison University of Wisconsin-River Falls Lawrence Berkeley National Lab. University of Kansas Southern University and A&M College, Baton Rouge University of Alaska, Anchorage Ohio State University University of Alabama Georgia Institute of Technology Sweden: Uppsala Universitet Stockholm Universitet UK: Oxford University Switzerland: EPFL Germany: Universität Mainz DESY-Zeuthen Universität Dortmund Universität Wuppertal Humboldt Universität MPI Heidelberg RWTH Aachen Universität Bonn Universität Bochum Belgium: Université Libre de Bruxelles Vrije Universiteit Brussel Universiteit Gent Université de Mons-Hainaut Japan: Chiba University ~34 institutions, ~250 members New Zealand: University of Canterbury
27 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 27 IceCube Collaboration Herbst 2009 in Berlin
28 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 28 Nachweis von Hochenergie-Neutrinos atmosph. Myonen Wahrscheinlichkeit der - Kern Wechselwirkung cm cm 2 + N + X cm 2 1 TeV 1 PeV 1 EeV Gandhi extraterr. Neutrinos atmosph. Neutrinos Erde als Filter
29 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 29 Nachweis eines Neutrinos Myon Neutrino
30 Myonspur im Eis/Wasser 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 30
31 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 31 DOM Digital Optical Module Druckfeste Glaskugel Anschlusskabel Befestigung Elektronik: Hochspannung, Digitalisierung, Datenübertragung Photomultiplier = Lichtsensor Ø 32cm
32 DOM-Produktion in Zeuthen 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 32
33 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium und am Pol DOM-Präparation im Purple Palace
34 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium und dann 2450 m tief versenkt
35 Eine Sommermannschaft 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 35
36 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 36
37 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 37
38 Deployment 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 38
39 Fabian Kislat IceCube: Neutrinosuche am Südpol Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 39
40 Installation der Strings Fabian Kislat IceCube: Neutrinosuche am Südpol Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 40
41 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 41 Lehrer am Südpol: PolarTREC Teachers and Researchers Exploring and Collaborating Finanziert durch National Science Foundation Katey Shirey Casey O Hara
42 Was misst IceCube eigentlich? 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 42 42
43 Was misst IceCube eigentlich? 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 43
44 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 44
45 Vorhersagen für -Spektren 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 45
46 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 46 Suche nach Punktquellen: die Methode 4282 Ereignisse Quelle Untergrund 2-3 Untergrund: Atmosphärische Suche nach Überschuss an Ereignissen in einem 2-3 Fenster irgendwo am Nordhimmel nach Kandidatenliste
47 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 47 Das Statistikproblem: Wenn man nur lange genug versucht, bekommt man mal einen Überschuss "Traue keiner Statistik, die Du nicht selber gefälscht hast" Winston Churchill zum Beispiel: Ich erwarte 3 Ereignisse Untergrund in einem Suchfenster, sehe aber 7. Ist das signifikant für eine Quelle? 0.25 <n> = w(n>6) = 3,3 % Schon bei etwa 30 Suchfenstern ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch 7 oder mehr Ereignisse zu sehen. Signifikanz wird durch ~10000-fache Simulation der Messungen bestimmt.
48 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 48 Himmelskarte für IceCube-40 IceCube-40 vorläufige Himmelskarte IC-40 Punktquellensuche Ereignisse in 1 Jahr Signifikanz-Konturen escape
49 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 49 Verbesserung der statistischen Signifikanz vor-definierte Quellpositionen vor-definierte Zeitfenster Stapeln vor-definierter Quellen Vor-Definition mit multi-messenger Information optischen, Gamma-, Röntgen-, Radio-Teleskopen
50 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 50 Pierre-Auger-Observatory 3000 km² 1600 Cherenkov tanks 60 km
51 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 51 Korrelationen mit UHE-Strahlung Ultra-Hochenergie: Kosm.Strahlung, die so hochenergetisch ist, dass sie wahrscheinlich nicht von intergalaktischen Magnetfeldern beeinflusst wird. Vorläufig IC-40 Datensatz, Ereignisse HiRes PAO 2007 PAO 2010
52 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 52 Zeit-Korrelationen mit anderen Beobachtungen? 1ES , ein Aktiver Galaktischer Kern, potentieller Neutrino-Emitter
53 Haben wir bereits das erste Signal gesehen? Fluss von TeV-Photonen 3 Ankunftszeiten von Neutrinos aus der Richtung von ES beobachtet von AMANDA (Vorläufer von IceCube) Mai Juni Juli Year Gamma-Strahlung beobachtet durch ein TeV- Gamma-Teleskop 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium escape 53
54 Was IceCube noch machen kann 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium escape 54
55 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 55 Dunkle Materie: die Evidenzen Mikrowellenhintergrund (Nobelpreis 2006) Rotationskurven von Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen
56 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 56 Dunkle Materie: Signal in IceCube? Sonne Wechselwirkung Erde Streuung Einfang Annihilation Detektor qq l l... υ Z H W, 0,
57 Indirekte Suche nach Dunkler Materie: WIMP Annihilation in der Sonne Limits depend on WIMP mass & decay mode PRL 102 (2009) Sensitivität mit vollem IceCube einschliesslich Deep Core 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium escape 57
58 Niederenergie-Neutrinos in IceCube MeV-Neutrinos Supernova in der Milchstraße in 5-10 sec. einige Hertz SNEWS SuperNova Early Warning System alle 50 Jahre? IceCube Simulation Supernova im Zentrum der Milchstraße 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium escape 58
59 Atmospheric Variations as observed by IceCube 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 59
60 Ozon Layer Temperature Ozone concentration over the southern hemisphere Sept. 20th 2002 Sept. 25th 2002 The Antarctic ozone layer is at pressure levels of hpa where also the first cosmic ray interactions occur. IceCube closely probes the temporal behavior of the stratospheric temperatures and the ozone hole dynamics, and 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium escape 60
61 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 61 Cherenkov-Tanks von IceTop 1 km² 80 Stationen E > 0.3 PeV
62 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 62
63 Heliospherische Physik Beobachtung der 13-Dez-2006-Sonneneruption durch IceTop [ApJ Lett., 689: L65 L68, 2008] On 2006 December 13 the IceTop air shower array at the South Pole detected a major solar particle event.... the response of the IceTop tanks with multiple thresholds deployed at high altitude with no geomagnetic cutoff, rate increase at 2 different thresholds 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium escape 63
64 Dust logger 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 64
65 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 65 Diffusion/Absorption Absorptionslänge: ~110 m Diffusionslänge: ~20 m (λ = 400 nm) Diffusion Absorption
66 24.Nov Bad Honnef H.Kolanoski - IceCube-Neutrino-Observatorium 66
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