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IceCube

IceCube. Neutrinoforschung am Südpol. Tobias Fischer-Wasels Universität Dortmund 29. Juni 2007. Übersicht. Einleitung, historisches Was ist IceCube? Vorgänger AMANDA Was macht es? „Es leuchtet blau“! Tscherenkovlicht Wie funktioniert IceCube? DOMs PMT.

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Presentation Transcript

  1. IceCube Neutrinoforschung am Südpol Tobias Fischer-Wasels Universität Dortmund 29. Juni 2007

  2. Übersicht • Einleitung, historisches • Was ist IceCube? • Vorgänger AMANDA • Was macht es? • „Es leuchtet blau“! • Tscherenkovlicht • Wie funktioniert IceCube? • DOMs • PMT • Aufbau des Experimentes • Wozu das ganze? • Andere Neutrinoteleskope

  3. „Ich habe etwas Schreckliches getan:  Ich habe ein Teilchen vorhergesagt, das nicht nachgewiesen werden kann.“ – Wolfgang Pauli (1900 – 1958) [6]

  4. Kosmisches Energiespektrum [1]

  5. [2] γ γ γ ν ν → B ν p : Luftschauer in der Atmosphäre γ

  6. Als erstes: Bodenständige Teleskope (H.E.S.S, Magic, …) Letzte Woche: Satelitenteleskope, extraterrestrisch (COBE, WMAP, Glast, …) Jetzt: Unterirdische Observatorien (IceCube, …) [3]

  7. Einige Daten • Kollaboration: Deutschland, Schweden, Japan, Belgien, Niederlande, Großbritannien, Neuseeland und USA • Budget von 295 Millionen Dollar • Vorgänger AMANDA • Erforschung hochenergetischer Neutrinos → Quellen? • km3 Neutrinoteleskop im antarktischen Eis • Herstellung und Test von über 4800 OMs. • „Drilling“: Versenken der Strings im Eis; bis 2,5 km Tiefe • Fertigstellung 2010/11: 80 Strings, 4800 OM, je String zwei IceTops für Luftschauermessung

  8. AMANDA • 19 Strings, 677 analoge OMs • Energien 50 GeV – 1 PeV • 1993/94 AMANDA-A: 4 Strings, 80 OM, 800-1000 m Tiefe • 1995/96 AM-B4: 4 Strings, je 20 OM, 1500 – 2000 m Tiefe • 1997/98 AM-B10: Weitere 6 Strings, je 36 OM, wie AM-B4 • 1998/99 AM-B13: 3 IceCube- Teststrings, je 42 OM, ober- / unterhalb 1500 bzw. 2000 m • 1999/00 AM-II: 6 Strings, 252 OM (U.a. IceCube Prototypen) [4]

  9. Energiebereich [5] • AMANDA: 50 GeV – 1 PeV

  10. Ergebnisse: 4382 beobachtete Neutrinos • Messzeit 2000 – 2004, 1001 Tag; Winkelauflösung ~ 2° [6]

  11. Wie „sieht“ man Neutrinos? • Neutrinos unsichtbar → Messen Sekundärteilchen • Seltene WW produziert Myon (e-, τ-) • Diese Teilchen „leuchten blau“ • Messung des Tscherenkovkegels gibt Aufschluss über Energie

  12. [7] [8]

  13. Tscherenkovstrahlung • Polarisation von Materie durch schnelle geladene Teilchen (e-, µ-,τ-) → Konstruktive Interferenz der Wellenfronten: Tscherenkoveffekt Korrelation Dichte Medium mit Energieverlust durchquerenden (relativistischen) Teilchens [9]

  14. Über Intensität und Spur des Kegels → Energie • Öffnungswinkel ~ v, ungefähr gleich [10]

  15. Analyse über Sekundärteilchen: • e- Nachteil: Richtungsorientierung schwer [11]

  16. Eµ=10 TeV • Analyse über Sekundärteilchen: • µ- Vorteil: Spur gut zu verfolgen [12]

  17. ~300m for >PeV t • Analyse über Sekundärteilchen: • τ- Detektormaße müssen > 300 m Flugstrecke sein [13]

  18. Energiebereich (IceCube)

  19. [14]

  20. 180° E ~ PeV E ~ EeV IceCube 90° Horizont senkrecht [15]

  21. Südpol – Amundsen-Scott Station [16] [17]

  22. Gebiet des Aufbaus [18]

  23. 2006-2007: 13 Strings 2005-2006: 8 Strings 2004-2005 : 1 String IceTop Insgesamt: 22 Strings 52 Oberflächentanks Luftschauer Detektor Schwelle. ~ 300 TeV InIce Erste Daten 2005 erstes “upgoing muon”: 18. Juli 2005 Geplant sind 70-80 Strings , An jedem 60 Optische Module 17 m zwischen Modulen 125 m zwischen Strings AMANDA 19 Strings 677 Module Fertigstellung 2011 [19]

  24. Bohrturm Warmwassergenerator Schlauchwinde IceTop Behälter IceCube Bohrung, Januar 2005 [20]

  25. [24] Drilling • Enhanced Hot Water Drill (EHWD) • Loch von 0,6 m Breite, 2450 m Tiefe • Bohrung mit Heißwasser, 4,5 MW thermisch • Je Loch 30 h, 27.000 ℓ Kraftstoff [21] [22] [23]

  26. Digitales Optisches Modul (DOM) Hochspannungs-generator HV PMT base LED flasher board main board (DOMMB) 25 cm PMT [25] 33 cm glass sphere

  27. DOM, PMT (PhotoMultiplier Tube) [26]

  28. PMT; Sekundärelektronenvervielfacher • Photokathode, γlöst e- aus • Beschleunigung und Auslösen weiterer e- an Dynoden … • Spannung an Anode ~ E γ [28] [27]

  29. Zeitplan • 2004/05 ein Strings, 60 OM (Alle 17 m Tiefe ein OM) • 2005/06 acht Strings („IC-9“ bereits 540 Module) • 2006/07 13 Strings • 2007/08 ~ 18 Strings • 2010/11 ca. 70 – 80 Strings versenkt

  30. Ziele von IceCube • Informationen aus großer Entfernung des Weltraums • Weiter Blick ins frühe Universum • Neutrinos gute Boten. Wegen kleines WQS wenig WW • Aufschluss über Dunkle Materie • Erforschung hochenergetischer Neutrinos → Aufschluss über Quellen (auch geladener CR)

  31. Weitere Experimente • Superkamiokande (Japan) • Antares, KM3NeT (Mittelmeer) • SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Kanada) • Baikal NT-200 (Sibirien, Russland)

  32. SNO • Alte Nickelmine, Nähe Sudbury, Ontario, Kanada • In etwa 2 km Tiefe, 12 m Durchmesser • 1000 t Schweres Wasser: D2O, gelagert in normalem Wasser • 9600 PMTs, 1999 in Betrieb • „Solar-Problem“: Weniger νe aus der Sonne als zu erwarten → Neutrinooszillation [29]

  33. Superkamiokande (神岡Neutrino Detection Experiment) • Im Hidagebirge, beiKamioka, Japan • 50000 t Hochreines Wasser • 11200 Photomultiplier (PMT) • Innen- / Außenbereich: Abschirmung vor Radioaktivität aus dem Berg; Unterscheiden e- und µ- [30]

  34. Baikal NT-200 • km3 Tiefseexperiment im Baikalsee, Russland • Acht Strings, je 24 OMs Paare → Koinzidenz • Dichte: 6 m Δh, ~20 m Δr • Seit 1998 Datennahme • 2005 Erweiterung um 3 Strings auf NT200+ [31]

  35. Mittelmeer • Im Aufbau: ANTARES • Ebenfalls im Aufbau: KM3NeT • km3 Volumen • Je Einheit PMT-Trios → Koinzidenz: Rauschunterdrückung [32]

  36. Quellen • [1], [3], [5], [6], [14], [15], [19], [24]: Dr. J. Becker • [8], [10], [17], [18], [21], [23] : IceCube Kollaboration • [2]: Hubble • [4]: eskola.hfd.org • [7]: DESY • [9]: imgc.hr • [11], [12], [13]: Cael Hanson „600 Down“ • [16]: Wikipedia.org • [20], [22], [25]: Bill Edwards • [26], [28]: Chiba Daigaku • [27]: molekularexpressions.com • [29]: antwrp.gsfc.nasa.gov • [30]: hfd.hr • [31]: baikalweb.jinr.ru • [32]: antares.in2p3.fr Vielen Dank für die freundliche Unterstützung an Dr. Julia Becker

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