Deeltjesfysica En astronomie Op de Zuidpool

IceCubeIceCube

OntmoetingOntmoetingTussenTussen

DeeltjesfysicaDeeltjesfysicaEn astronomieEn astronomie

OpOp dedeZuidpoolZuidpool

Catherine De ClercqVrije Universiteit BrusselInteruniversity Institute for High Energies24 maart 2006

C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 2Amundsen-Scott South Pole station

South PoleDome

Summer campAMANDA

road to work

1500 m

2000 m

[not to scale]

ICECUBE

IceCube collaboration: 200 physicists, 25 groupsfrom USA(12), Europe(11), Japan(1), New Zealand(1)

Belgium:IIHE(ULB-VUB) Brussels, Univ Gent, Univ Mons Hainaut

DoelstellingenDoelstellingen

Waarom een kubieke km neutrino detector bouwen?

C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 4

FysischeFysische doelstellingendoelstellingen

Oorsprong van kosmische straling begrijpen– Welke zijn de kosmische versnellers?

Observatie neutrino’s afkomstig van bronnenbuiten de atmosfeer – hoge energieObservatie van neutrino’s afkomstig van donkere materieMonitoring van SuperNova explosies in de Melkweg

En andere …

KosmischeKosmischestralingstraling

Wat is kosmische straling?Welke zijn de kosmischeversnellers?


KosmischeKosmische stralingstraling

Primaire kosmischestraling– Hoofdzakelijk p en α deeltjes

Interacties in de atmosfeer →secundaire deeltjesEnkele deeltjesbereiken de aarde– hoofdzakelijk muonen en

neutrino’s

Coming out of space and incident on the highatmosphere, there is a thin rain of chargedparticles known as primary cosmic rays

C.F. Powell


OntdekkingenOntdekkingen in in kosmischekosmische stralingstraling

1947: eerste deeltje met « vreemdheid »=Kaon

1932: Ontdekking van het anti-elektron = positron


Primaire Primaire kosmischekosmische stralingstraling

Energie (eV)

Flux

(m2

srs

GeV

)-1

Lage energie deeltjesafkomstig uit melkweg –tot 1015 eV (« knie »)

Rico=2.7

Rico=3.0

Boven 1019 eV : deeltjesafkomstig van buitenMelkweg

Tussen 1015 en 1019 eV :deeltjes uit Melkweg –verliezen bij hoge energie


KomischeKomische versnellersversnellers

versnelling in centrum van actief melkwegstelsel

Zwart gat

accretieschijf met bewegendematerie (sterren, stof, gas)

Geladen deeltjes (vbelektronen) worden versnelden verlaten accretieschijf –vormen 2 « jets »

Magneetvelden veroorzaaktdoor bewegende ladingen

Interactie straling (fotonen) met elektronen en protonen

Productie lawineelementaire deeltjes


VoorbeeldVoorbeeld actiefactief melkwegstelselmelkwegstelsel

Radio opname Cygnus A

Kosmische straling?

Neutrino Neutrino astronomieastronomie

PrincipeNeutrino detectors


Rad

ioC

MB

Vis

ible

GeV

γ-ra

ys

1 TeV= LHC

Energie (eV)Fl

ux

400 microgolffotonenper cm3

BoodschappersBoodschappers uituit hethet heelalheelal


TeV sources!

cosmicrays

/////////////////

ν

BoodschappersBoodschappers uituit hethet heelalheelal


p

γ ν

ν

Astronomische bron

IceCube

Neutrino astronomie Neutrino astronomie -- principeprincipe

Neutrino’s als astronomischeboodschappers

Worden niet afgebogen in magnetische velden (↔protonen)Worden niet ge-absorbeerddoor materie en straling (↔fotonen)Hebben slechts zwakkewisselwerkingen met materieen straling

Bereiken bijna ongehinderd de aardeWijzen recht van detectornaar bron


Neutrino Neutrino detectiedetectie

Detectie van deeltjes en straling berust op de interactie met materie

Neutrino’s zijn enkel gevoelig aan de zwakkewisselwerking → lage interactiewaarschijnlijkheidOm TEV neutrino’s te detecteren zijnreusachtige telescopen nodig: orde kubieke kmDetector moet bestaan uit goedkoop materiaal: water of ijs


neutrino

muonCherenkov

lightkegel

Detector interactie

•Af en toe interageert een kosmischneutrino met een atoom in rots of ijs•In de interactie wordt een muon (of elektron of tau) geproduceerd

•Het muon straalt blauw licht uit op zijn baan•Optische sensoren registreren dit licht

C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 17Copyright © 2001 Purdue University

CherenkovCherenkov lichtlicht


SpoorreconstructieSpoorreconstructie

Muon laat achter zich eenspoor van Cherenkov lichtEen rooster optische sensoren, fotomultiplicatoren, maaktopname van lichtpatroonMen registreert in elke sensorde intensiteit en aankomsttijdvan lichtpulsAangepaste software voorpatroon herkenning, spoorreconstructieAankomsttijden → opgaand ofneergaand muonTijden + intensiteit → hoek en energie

Simulatie van spoor van 10 TeV muon in IceCube

1 km

IceCubeIceCubedetectordetector

OverzichtDe optische modules


De De IceCubeIceCube detectordetector

IceTop– Aan oppervlakte

– Boven elke kabel een tank met 2 OMs

IceCube– 4800 OMs op 80 kabels tegen 2011

– Februari 2006: 9 kabels en 540 OMs

– Doel: 1 kubieke km op 1500m diepte

AMANDA– 677 Optische Modules (OM) op 19

kabels

– 200m diameter x 500m hoogte

– Neemt gegevens sedert 2000

-1450m

-2450m

0m

1km

IceTop


South Poleroad to work

AMANDA

1500 m

2000 m[not to scale]

ICECUBE


neutrino

Cherenkov

lightkegel

elke optische module registreert een deelvan het licht


OptischeOptische ModulesModules

Afscherming tegen magneetveld

fotomultiplicator

kabeldoorgang hoogspanningsgenerator

Signaal digitisatiekaart

drukvat

optische gel

Signaal naar oppervlakte

foton

e-

Naar beneden gericht om neutrino’s te observerenkomende uit de Noordelijke hemel


fotomultiplicator

Optische Module

Klaar om in het ijs te laten zakken

BouwBouw van de van de detectordetector

Reis naar de ZuidpoolBoren van de schachtenInstallatie van de sensoren


Christchurch, New ZealandChristchurch, New ZealandInternational Antarctic CenterInternational Antarctic Center

Na 24u vlucht vanuit België, aankomst in hetverzamelpunt voor vertrek naar Antarctica


Per C130 van Nieuw Zeelandnaar Mc Murdo, Antarctica8u vlucht

C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 28McMurdoMcMurdo, Antarctica, Antarctica

Tussenstop om van vliegtuig te veranderen


Na de laatste 1000km : landing op de Zuidpool3000m hoogte!


De De schachtenschachten borenboren

Schacht = 2450m diep en 60cm diameterWarm-water-boorBoren van een schacht duurt 35-40 uur18 schachten per seizoen (november-februari)


Boorkop spuwtheet water (80°C) in schacht


Waterslang2,5 km lang20cm diameter


In-Door deployment

DOM Hub

Cable Winch

Slip Ring

Deployment Room

Tower Operations Structure(TOS)

OMs

DAQ

Entire string can be operated as soon as the OMs are connected.

Can operate string during drop


sensorensensoren installereninstalleren

60 optische modules perkabel dalen neer in 20 uur

Elke module wordt voorafgetest aan de oppervlakte


Planning Planning

9 kabels = 540 sensoren zitten nu in het ijs

Februari 2007: 1620 sensoren = 2 x AMANDAVanaf hier zijn IceCube gegevens bruikbaar

2011 observatorium is volledig af


EenEen internationaalinternationaal consortiumconsortiumDe IceCube collaboratieUSA(12)

Clark Atlanta U.Inst. Adv. Study, PrincetonU. Delaware, NewarkUC BerkeleyLBNL BerkeleySouth. U. and A & M Col.UC IrvinePennsylvania State U.U. KansasU. MarylandUW MadisonUW River Falls

I.I.H.E.-VUBI.I.H.E.-ULB

U. de Mons-HainautU. Gent

Imperial Coll., LondonOxford Univ.

DESY, Zeuthen

Mainz Univ.Humboldt U. Berlin

Wuppertal Univ.Dortmund Univ.

Stockholm UniversitetUppsala Universitet

Univ. Utrecht

Europe(14)

U. Canterbury, ChristchurchNew Zealand Japan

Chiba University

AntarcticaSouth Pole Station


HetHet Brussels teamBrussels team

Daniel Bertrand Catherine De Clercq

Patrick Berghaus Bruny Baret

Alfio Rizzo

Daan Hubert

Abdeslem Rrhioua

Mathieu Labare

Interuniversity Institute for High Energies(ULB-VUB)

EnkeleEnkeleresultatenresultaten

Gegevens van AMANDANeutrino-stralersDonkere materie


GegevensGegevens

Data genomen met AMANDA in 2000-2003Opnames van februari tot november(8 mnd per jaar)Enkele periodes met detector problemenEffectieve opnametijd: 807 dagen~ 80% efficiëntie

Totaal aantal opgenomen muonen: 109 per jaarWaaronder 5000 (103) neutrino’s uit Noordelijkehemel = signaal


p

γ ν

ν

Astronomische bron

N

Z

SignaalSignaal en en ruisruis

ruis/signaal = 106

Signaal = opgaandemuonen van neutrino’suit Noordelijke hemelRuis = neergaandemuonen uit ZuidelijkeatmosfeerUitdaging voor de fysici: enkele duizendinteressante muonenfilteren uit miljardenevents


SelectieSelectie opgaandeopgaande neutrinoneutrino’’ss

In data van 2000-03 werden 3369 opgaandemuonen uit ruis gefilterdAfkomstig van neutrino’s gecreëerd in Noordelijke hemelNauwkeurigheid op hoekbepaling 2,5ºmen verwacht 3438 opgaande muonen afkomstigvan neutrino’s uit Noordelijke atmosfeerberekend met gesimuleerde gegevens volgenstheoretisch model


NeutrinokaartNeutrinokaart NoordelijkNoordelijk hemelhemel

Elk punt = neutrino3369 neutrino’swaargenomen3438 verwacht indien enkel atmosferischeneutrino’s bestaan

Zijn er ergens actieveneutrino stralers? Vb zwart gat in centrum

melkwegstelsel

AMANDA 3369 νµ


SpecifiekeSpecifieke neutrinoneutrino--stralersstralers??

Statistische analyse gegevens – opsporen lokale« hot spots »Maximum 3,4 standaard deviatiesKan verklaard worden als statistische fluctuatieGeen neutrino-stralers ontdekt

Significantie (# standaarddeviaties) van lokalefluctuaties•Positief: teveel•Negatief: tekortIn vergelijking met hypothesedat alle neutrino’s uitatmosfeer komen


SpecifiekeSpecifieke neutrinoneutrino--stralersstralers??

Krabnevel SuperNova restantδ=22.0°, α=5.6h

Markarian 421 actief melkwegstelsel - TeV γ stralerδ=38.2°, α=11.07h

Enkele voorbeeldenvan gecatalogeerdeastronomischeobjecten

Tot hiertoegeen neutrino’s uit

gecatalogeerde bronnen


DonkereDonkere materiematerie

Observaties leren dat heelal bestaat uit– Max. 1% zichtbare materie = licht, radiogolven etc

– 99% donkere materie

Afstand van centrum van melkwegstelsel

Sne

lhei

dst

erre

n

A = Verwacht indien enkel zichtbare materie

B = waarnemingen

Er is meer materie dan deze die we « zien »


NatuurNatuur van de van de donkeredonkere materiematerie

Bovendien leren waarnemingen dat:– 4% = baryonische donkere materie (protonen, neutronen)

– 23% = ongekende « nieuwe » donkere materie

– 70% « donkere energie » - natuur???

Nieuwe donkere materie– zwak interagerende zware deeltjes

– Kandidaten zijn bvb supersymmetrische neutralinos –overblijvend van Oerknal – massa onbekend

Experimenten voor:– Detectie van interacties van neutralino’s

– Indirecte detectie van neutralino aanwezigheid in bvb Zon


Neutralino capture and annihilationNeutralino capture and annihilation

Sun

χ

Earth

Detector

Freese, ’86; Krauss, Srednicki & Wilczek, ’86Gaisser, Steigman & Tilav, ’86

Silk, Olive and Srednicki, ’85Gaisser, Steigman & Tilav, ’86

νµ

µ

ρχ velocitydistribution

σscatt

Γcapture

Γannihilation

ν interactions

ν int. µ int.

qq χχ → ll → →νµ

W± , Z,Hinteractions hadronization→ cc ,bb ,tt ,τ +τ − ,W± , Z 0, H ±H 0

Indirecte Indirecte detectiedetectie van van neutralinoneutralino’’ss

Neutralino’s worden gevangen in de Zon – ze annihileren met elkaar –neutrino’s ontsnappen uit deze interactie – enkele neutrino’s bereikende aarde en de AMANDA/IceCube detector


ZoektochtZoektocht naarnaar DM met AMANDADM met AMANDA

Zoeken naar hoge energie neutrino’s uit de ZonGeen signaal ge-observeerd – enkel neutrino’s uitatmosfeerConclusie uit de observaties: in de veronderstelling dat– neutralino’s de donkere materie vormen

– En dat een deel gevangen zit in de Zon

– Dan is het signaal van neutrino’s afkomstig van de annihilatievan deze neutralino’s zwakker dan de huidige gevoeligheid van AMANDA

– Volgens onze observaties is deze neutrino flux dan < 2000 deeltjes/km2/jaar


AMANDA flux AMANDA flux metingenmetingen

AMANDA

IceCubeverwachte gevoeligheid


TotTot slotslot

Voor wie meer wil weten:w3.iihe.ac.bewww.icecube.wisc.edu

Deeltjesfysica En astronomie Op de Zuidpool

Documents

Transcript of Deeltjesfysica En astronomie Op de Zuidpool