Suche nach kosmischen Neutrinos auf dem Grund des Mittelmeeres

1. Suche nach kosmischen Neutrinos auf dem Grund des Mittelmeeres Tandemkolloquium Erlangen, 16.12.2004 Alexander Kappes Physikalisches Institut Universität Erlangen-Nürnberg • Kosmische Strahlung • Kosmische Neutrinos • Das Neutrino-Teleskop ANTARES • Zukünftige Neutrino-Teleskope

2. kosmische Strahlung Kosmische Strahlung • Erstmals 1912 vonVictor Hess während eines Ballonexperiments beobachtet • Besteht bei hohen Energiendominant aus:Protonen und a-Teilchen < 1 TeV Satelliten / Ballonexp. > 1 TeV Luftschauerdetektoren(u.a. KASCADE, AGASA, Pierre-Auger) Alexander Kappes Universität Erlangen

3. kosmische Strahlung Suche nach Quellen von hochenergetischer kosmischer Strahlung • für E < 1019 eV wegen Ablenkung im galaktischen Magnetfeld keine Richtungsinformation • in diesem Energiebereich keine Identifikation von Quellen möglich • bei Energien E > 1019 eV begrenzte Reichweite durch Wechselwirkung mit Mikrowellenhintergrund Alexander Kappes Universität Erlangen

4. kosmische Strahlung Kosmische g-Strahlung H.E.S.S. Čerenkov-Teleskope (Namibia) RXJ 1713 with H.E.S.S.: (Galaktischer Supernovarest) • Erste TeV g-Quelle mitaufgelöster Morphologie • Struktur in guter Übereinstimmung mit der im Röntgenbereich • Demonstriert eindeutigBeschleunigung in Supernova-Hülle Quelle lokalisierbarnur geringe Reichweite (100 Mpc für E ≈ 10 TeV)unterscheidet nicht zwischen Hadron- und Elektron-Beschleunigung Alexander Kappes Universität Erlangen

5. ne: nm: nt≈ 1 : 2 : 0N (n) ≈ N (n) kosmische Neutrinos Kosmische Neutrinos • Neutrinos als Botenteilchen: keine Ablenkung in Magnetfeldern  Identifikation der Quelle Beweis für Hadronbeschleunigung (fast) keine Wechselwirkung mit Materie  große Reichweite schwer nachweisbar  große Detektoren erforderlich • Produktion: Reaktion beschleunigter Protonen mit interstellaren Medium,3K Mikrowellen-Hintergrundstrahlung oder Synchrotronstrahlungp + p(g)→p + X9m+nm9 e + ne+nm • Neutrino-Oszillation führt zu ne : nm : nt≈ 1 : 1 : 1 Alexander Kappes Universität Erlangen

6. kosmische Neutrinos Nachweis von kosmischen Neutrinos • Nachweis erfordert große Detektoren Nutzung natürlich vorkommender Medien (Eis, Wasser) • Nachweis über Čerenkov-Strahlung von m oder Schauerteilchen Alexander Kappes Universität Erlangen

7. kosmische Neutrinos Allgemeines Nachweisprinzip Alexander Kappes Universität Erlangen

8. kosmische Neutrinos Neutrino-Teleskope weltweit ANTARES (Mittelmeer) Medium: Salzwasser; im Aufbau Baikal (Baikal-See) Medium: Süßwasser; Daten seit 1991 NESTOR (Mittelmeer) Medium: Salzwasser; im Aufbau Dumand (Hawaii) Medium: Salzwasser;Pionierexperiment 1995 eingestellt AMANDA (Südpol) Medium: Eis; Daten seit 1997 Forschungs- und Entwicklungsprojekt für km3: NEMO (Mittelmeer) Zukunftsprojekte (km3): IceCube (Südpol), KM3NeT (Mittelmeer) Alexander Kappes Universität Erlangen

9. kosmische Neutrinos Messung des hochenergetischen atmosphärischen Neutrino-Spektrums durch AMANDA Alexander Kappes Universität Erlangen

10. kosmische Neutrinos Physik mit Neutrino-Teleskopen • Identifikation und Vermessung von Neutrino-Quellen • Diffuser Neutrino-Fluß • Suche nach kalter dunkler Materie in Form von Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)guter Kandidat: Neutralino (mc≈ 50 GeV – 1 TeV)Einfang in Gravitationspotential (z.B.: Erde, Sonne, Galaktisches Zentrum) • Suche nach exotischen Teilchen:z.B. Nukleorite, magnetische Monopole • Entdeckung von bisher Unbekanntem c+ c → n + X Alexander Kappes Universität Erlangen

11. kosmische Neutrinos Beispiel: Suche nach Punktquellen Bis jetzt noch keine Quelle hochenergetischer kosmischer Neutrinos entdeckt Alexander Kappes Universität Erlangen

12. ANTARES Warum ein Teleskop auf dem Grund des Mittelmeers? • Himmelsabdeckung komplementär zu AMANDA • Vorteil: Wasser ist gutes Čerenkov-Mediumhomogen  geringe Lichtstreuung • Nachteil:optischer Untergrund durch 40K-Zerfall + Biolumineszenz • Abschirmung des Tageslichts (Absorptionslänge ≈ 50 m) • Abschirmung von atmosphärischen Myonen Alexander Kappes Universität Erlangen

13. ANTARES ANTARES Kollaboration 20 Institute aus 6 europäischen Ländern Alexander Kappes Universität Erlangen

14. ANTARES Der ANTARES-Detektor Herausforderungen: • Druck: 240 bar • Salzwasser • schwer zugänglich Alexander Kappes Universität Erlangen

15. ANTARES Der ANTARES-String Stockwerk BefestigungString-Kabel akustischer Auslösemechanismus Alexander Kappes Universität Erlangen

16. optisches Modul B-Abschirmung ANTARES Optisches Modul Hamamatsu 10‘‘ PM Quanteneff.: >20% (360<l<460 nm) Amplitudenauflösung (Labormessung) ø 43 cm, 600 bar Alexander Kappes Universität Erlangen

17. ANTARES See-Operationen Februar 2003 Installation der Prototyp-Strings Dezember 2002 Installation der Verzweigungsbox Juli2003 Bergung der Strings März2003 Verkabelung mit U-Boot Alexander Kappes Universität Erlangen

18. ANTARES Daten von den Prototyp-Strings • Erfolgreiche Tests der Installationsprozeduren • Langzeit-Daten des optischen Untergrunds aufgenommen • aber auch Probleme:beschädigte Glasfaser + Wasserleck keine Myon-Rekonstruktion möglich + Ausfall eines Stockwerks Baseline rate 0.4 Sekunden 3.5Monate Alexander Kappes Universität Erlangen

19. ANTARES Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis Alexander Kappes Universität Erlangen

20. Rechenzentrum Lyon ANTARES Vom Photomultiplier-Signal zum Physik-Ergebnis • Online: • Umwandlung der Čerenkov-Photonen in elektrische Signale mit Photomultipliern • Digitalisierung der elektrischen Signale • Transport an Land • Verarbeitung auf Computerfarm: • Kalibration der Daten (Amplitude, Zeitpunkt, Ort) • Filterung der Daten • Speichern der Daten • Offline: • Klassifizierung der Ereignisse • Rekonstruktion der Ereignisse • Physik-Analyse Alexander Kappes Universität Erlangen

21. ANTARES Online-Filter: Teilchen- und Untergrund-Raten Teilchenraten • Myonen aus Neutrinos O(10-5/ s) • atmosph. Myonen O(103/ s) Untergrundraten 40K-Zerfall, Biolumineszenz Rate pro PM: 60 – 200 kHz Datenrate durch Untergrund dominiert Alexander Kappes Universität Erlangen

22. ANTARES Online-Filter: Datenraten und Strategie • Datenrate vom Detektor („all-data-to-shore“): ~ 1 GB / s • Datenratenlimit: ~ 1 MB / s (30 TB pro Jahr) • Prozessierung der Daten auf Computerfarm ( ~ 100 PCs) • Aufgabe des Filters: Reduktion des Untergrunds bei möglichst hoher Signaleffizienz • Filterstrategie: • Signalereignisse: PM-Signalezeitlichundräumlich korreliert • Untergrund: PM-Signalezeitlichundräumlich statistischverteilt Alexander Kappes Universität Erlangen

23. ANTARES Online-Filter: Filterstufen • Stufe 1: Koinzidenzen auf einem Stockwerk (Dt < 20 ns) oder großes Einzelsignal (> 2.4 SPE) • Stufe 2: Kausalitätsbedingung Dt < n / c· Dx • Stufe 3: akzeptiert wenn genügend kausal verknüpfte Treffer Effizienz cos qc≈ 1 / n Alexander Kappes Universität Erlangen

24. Myonen E > 10 GeV Untergrund 100 kHz ANTARES Optimierung des Online-Filter • Kausalitätsbedingung: Dt < n / c· Dx • Dxmin = Minimum der Abstände aller Trefferpaare in einem akzeptierten Ereignis • Schnitt Dxmin < 60 m: Untergrundunterdrückung ≈ 97%, Effizienzverlust ≈ 1.5% Alexander Kappes Universität Erlangen

25. ANTARES Ereignisrekonstruktion: Myonen Signatur: Čerenkov-Photonen von m-Spur Informationen: Photomultiplier-Ort und -Ausrichtung, Signalamplitude und Zeit, Eigenschaften der Čerenkov-Strahlung Spur-Rekonstruktion Energie-Rekonstruktion D(log E) = 0.3 (E > 1 TeV) Dq < 0.3o (E > 10 TeV) Alexander Kappes Universität Erlangen

26. ANTARES Ereignisrekonstruktion: Schauer Signatur: „Punktquelle“ von Čerenkov-Photonen Informationen: PM Ort / Ausrichtung, Signalamplitude / Zeit, Eigenschaften der Čerenkov-Strahlung • Winkelauflösung: • Energieauflösung: D(log E)≈ 0.23 Alexander Kappes Universität Erlangen

27. ANTARES ANTARES: weitere Planung • Modifikationen des Designs zur Behebung der Schwachstellen vorgenommen • Anfang 2005 Test von Mechanik + Kabel mit vollem String ohne Elektronik • Installation des Detektors ab Frühjahr 2005 – Anfang 2007 • Massive Beiträge der Erlanger Gruppe bei Aufbau und Betrieb Alexander Kappes Universität Erlangen

28. zukünftige n-Teleskope km3- große Čerenkov-Teleskope km3-Detektoren nötig, um Physikpotential von Neutrino-Teleskopen voll auszuschöpfen • IceCube (Südpol): • Gelder bewilligt • Einfrieren der ersten 4 Strings diesen Polarsommer • Installation des gesamten Detektors bis 2010 • KM3NeT (Mittelmeer): • Gemeinsames Projekt der europäischen n-Teleskop-Gruppen • Start einer 3-jährigen EU-finanzierten „Design Study“ (Gesamtvolumen 25 MEuro) in etwa einem Jahr • Koordination in Erlangen • Geplanter Baubeginn kurze Zeit nach Abschluß der „Design Study“ Alexander Kappes Universität Erlangen

29. zukünftige n-Teleskope Alternative Teilchendetektion • Neutrinos mit E > 1 EeV mit „klassischen“ Konzepten nicht erreichbar • Alternativen: u.a. Radio-Detektion, akustische Detektion Akustische Teilchendetektion: thermoakustisches Modell • lokale „Wassererhitzung“ durchTeilchenschauer erzeugt Druckpuls • Bipolare Form mit Amplitude O(1 mPa · E / PeV)in 400 m Abstand • Reichweite von Schall in Wasseretwa 10 mal größer als von Licht Alexander Kappes Universität Erlangen

30. zukünftige n-Teleskope F&E zur akustischen Teilchendetektion in Erlangen Zielsetzung: Entwicklung eines tragfähigen Konzepts für die akustische Neutrino-Detektion bei Energien > 1 EeV • Erlangen einer der weltweit führenden Gruppen • Mittelfristig: Bestückung von ANTARES mit akustischen Modulen • Aktivitäten: • Entwicklung/Test von Hydrophonen • Testmessungen am Protonenstrahl • Kalibrationsquellen • Signalfilter und Korrelationsalgorithmen • Detektorsimulation • . . . Alexander Kappes Universität Erlangen

31. zukünftige n-Teleskope Testmessungen am Protonenstrahl • Protonenstrahl erzeugt in Wasser ähnlichen Schauer wie Neutrino • Ziel: Test von Hydrophonen, detaillierte Vermessung des Schallsignals • z.B.: Signalamplitude sollte bei 4oC Wassertemperatur verschwinden 180 MeV Protonen Beweis für thermoakustische Signalerzeugung Alexander Kappes Universität Erlangen

32. Zusammenfassung • Neutrino-Astronomie wichtiges Instrument zur Klärung fundamentaler astrophysikalischer Fragestellungen • Das ANTARES-Neutrino-Teleskop ist zur Zeit im Aufbau und wird seine Endausbaustufe 2007 erreichen • Erfolgreicher Test der Installations- / Bergungsprozeduren+ wichtige Daten mit Prototyp (finales Detektordesign) genommen • Entscheidende Beiträge der Erlanger ANTARES-Gruppe:Online-Filter, Rekonstruktion, Simulation, Aufbau & Betrieb • km3 Neutrino-Teleskope in Planung (KM3NeT) / Aufbau (IceCube) • akustische Teilchendetektion vielversprechende Alternative zu optischen Teleskopen für En > 1 EeV Alexander Kappes Universität Erlangen

33. E N D E

34. p + g3K→ D → p + N GZK-Cutoff kosmische Strahlung Kosmische Strahlung • Erstmals 1912 vonVictor Hess während einer Ballonfahrt beobachtet • Besteht hauptsächlich aus:Protonen (85%),a-Teilchen (12%)nur ca. 2% Elektronen < 1 TeV Satelliten/Ballonexp. > 1 TeV Luftschauerdetektoren(Kaskade, AGASA, Fly‘s Eye, Pierre-Auger-Observatory) irdische Beschleuniger: LHC Strahlenergie ~1013 eV Alexander Kappes Universität Erlangen

35. HESS MAGICCangarooWhipple Integral EGRET, GLAST XMM, Chandra kosmische Strahlung Kosmische g-Strahlung Elektron-Synchrotronstrahlung, inverse Compton-Streuung, p0-Zerfall Alexander Kappes Universität Erlangen

36. kosmische Strahlung Beschleunigungsmechanismen • Fermi-Beschleunigung (erste Überlegungen 1949 von Fermi):Beschleunigung an Schockfronten, z.B. von Supernovae (SN)DEb_bisca. 101315 eV dN / dE E-g • Mechanismen für E > 1015 eV noch nicht verstanden EmaxL·B Teilchen müssen in Beschleunigungsregion über lange Zeit gehalten werden Alexander Kappes Universität Erlangen

37. kosmische Neutrinos Sensitivität von Neutrino-Teleskopen auf diffusen Fluß Bis jetzt noch keine extra-solaren Neutrinos beobachtet ! Alexander Kappes Universität Erlangen