Op zoek naar. Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel

Transcriptie

1 Op zoek naar Donkere Materie met IceCube Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel 23 januari 2010

2 Op zoek naar donkere materie met IceCube IceCube: een avontuur op Antarctica Donkere materie: Waarover spreken we? Waar zit ht? het? Effect op de evolutie van het heelal --- PAUZE --- Het mysterie blijft: wat is de natuur van donkere materie? Het moeilijke pad naar de ontdekking: experimenten IceCube: een neutrino observatorium op de Zuidpool

3 Donk kere Mate erie in Ice ecube Een avontuur aan de andere kant van de wereld ICECUBE MIRA 23 januari 2010 p 3

4 Antarctica Donk kere Mate erie in Ice ecube het laatste continent t

5 Een continent zo groot als Europa MIRA 23 januari 2010 p 5 Donkere Materie in IceCube

6 Prinses Elisabethbasis Donkere Materie in IceCube

7 Zuidpool in cijfers Donk kere Mate erie in Ice ecube Droogste en koudste plaats ter wereld Gemiddeld 1L/m 2 neerslag Saoudi Arabië: gemiddeld 37 L/m 2 België: gemiddeld 800 L/m 2 3 maand toegankelijk : november februari Gemiddeld -30 installatiecampagne pg 9 maand ontoegankelijk: maart oktober Gemiddeld overwinteraars 6 maand dag en 6 maand nacht MIRA 23 januari 2010 p 7

8 Zomer November-februari 200 personen: 50 wetenschappers arbeiders 2/3 mannen, 1/3 vrouwen 2 douches per week -30 C

9 winter Februari-november 50 overwinteraars station onbereikbaar -70 C

10 Amundsen Scott South Pole Station Het eeuwige ijs ecube erie in Ice kere Mate Donk MIRA 23 januari 2010 p 10

11 Amundsen Scott South Pole Station MIRA 23 januari 2010 p 11 Donkere Materie in IceCube

12 Amundsen Scott South Pole Station MIRA 23 januari 2010 p 12 Donkere Materie in IceCube

13 Amundsen Scott South Pole Station MIRA 23 januari 2010 p 13 Donkere Materie in IceCube

14 Amundsen Scott South Pole Station MIRA 23 januari 2010 p 14 Donkere Materie in IceCube

15 Amundsen Scott South Pole Station Donk kere Mate erie in Ice ecube South Pole Telescope IceCube QuAD MIRA 23 januari 2010 p 15

16 1km Donk kere Mate erie in Ice ecube De IceCube detector Bevindt zich 2km onder het ijsoppervlak Heeft een volume van 1km 1km 1km Zoekt naar neutrino s uit de ruimte

17 Donk kere Mate erie in Ice ecube materie materie en de link met deeltjesfysica MATERIE

18 Zichtbare materie Bestaat uit atomen uit de tabel van Mendeleev ecube erie in Ice kere Mate Donk MIRA 23 januari 2010 p 18

19 Astronomische observaties Donk kere Mate erie in Ice ecube Zichtbare materie in de ruimte verraadt zich door het uitzenden van elektromagnetische straling Sterren Gas MIRA 23 januari 2010 p 19

20 Astronomische observaties optisch zichtbaar licht Donk kere Mate erie in Ice ecube IR infrarood MIRA 23 januari 2010 p 20

21 Zichtbare materie en quarks Donk kere Mate erie in Ice ecube proton u u d ud d neutron e Elektron ν e neutrino µ Muon ν µ τ Tauon ν τ 6 l t 6 leptonen 6 quarks ud: u,d up,down c,s : charm,strange t,b : top,bottom MIRA 23 januari 2010 p 21

22 Zichtbare materie en quarks Donk kere Mate erie in Ice ecube Met de quarks uit de deeltjesfysica bouwt men alle atomen die we kennen Materie wordt samengehouden dankzij interacties tussen quarks Er zijn 4 soorten krachten tussen de quarks Elektromagnetische kracht Sterke kernkracht Zwakke kernkracht Zwaartekracht quark gluon MIRA 23 januari 2010 p 22

23 interacties Donk kere Mate erie in Ice ecube Tijdens interacties worden deeltjes uitgewisseld tussen quarks en/of leptonen MIRA 23 januari 2010 p 23

24 Samenvatting Donk kere Mate erie in Ice ecube Zichtbare materie = atomen met gekende quarks Donkere materie = nieuw soort deeltjes 6 quarks 6 leptonen Krachtdragers MIRA 23 januari 2010 p 24

25 Donk kere Mate erie in Ice ecube Manifesteert zich via zwaartekracht Verschillende observaties DONKERE MATERIE MIRA 23 januari 2010 p 25

26 Melkweg ecube erie in Ice kere Mate Donk zonnestelsel l MIRA 23 januari 2010 p 26

27 Probleem met rotatiecurven ecube erie in Ice kere Mate Donk Als de massa hoofdzakelijk geconcentreerd zit in het centrum, dan neemt de rotatiesnelheid van de sterren af met hun afstand tot het centrum v( r) 1 MIRA 23 januari 2010 p 27 r

28 Oplossing = donkere materie Donk kere Mate erie in Ice ecube Halo van donkere materie rond centrale schijf verklaart gegevens MIRA 23 januari 2010 p 28

29 Materie in clusters Donk kere Mate erie in Ice ecube Zwicky (1937) : COMA cluster bevat 500x meer donkere materie dan zichtbare materie Massa s sterrenstelsels afgeleid uit 1. luminositeit 2. Rotatiesnelheid 10 M ( rotatie ) > 10 M M M 500 L 10 7 L L L 10 zonnestelsel MIRA 23 januari 2010 p 29

30 Gravitatielenzen Donk kere Mate erie in Ice ecube Clustermassa kromt de ruimte Achterliggende objecten worden optische vervormd Sterkte van effect hangt af van massa lens MIRA 23 januari 2010 p 30

31 Abell 1689 Donk kere Mate erie in Ice ecube Cluster van sterrenstelsels Abell 1689 = lens op voorgrond 2 miljoen lichtjaren breed 2 miljard lichtjaren ver Vervormde beelden van achterliggende sterrenstelsels waarschijnlijk 13 miljard lichtjaren verwijderd Donkere materie nodig om beeld te verklaren MIRA 23 januari 2010 p 31

32 Samengevat Donk kere Mate erie in Ice ecube Elk sterrenstelsel bevat een hoeveelheid donkere materie De Melkweg is omringd door een halo aan ongekende materie deze materie werd tot hiertoe enkel dankzij de zwaartekracht waargenomen Heeft het een effect op de evolutie van het heelal? Hoeveel donkere materie is er in de Melkweg? MIRA 23 januari 2010 p 32

33 Donk kere Mate erie in Ice ecube Evolutie van het heelal in het Big Bang model Invloed van materie op de evolutie KOSMOLOGIE MIRA 23 januari 2010 p 33

34 Evolutie van het heelal Donk kere Mate erie in Ice ecube Het heelal dijt uit Hubble expansie De expansie is momenteel versneld Leeftijd = 13,7 miljard jaar MIRA 23 januari 2010 p 34

35 Kosmische microgolf achtergrond CMB 2,725 K = -270 C Donk kere Mate erie in Ice ecube Lichtontsnapt= CMB overblijfsel uit prille heelal Quarks, leptonen, licht, en??? Atomen en??? MIRA 23 januari 2010 p 35

36 Donk kere Mateerie in IceeCube Kosmische microgolf achtergrond Ontdekt in 1965 door Penzias en Wilson M Microgolven l licht is mede geëvolueerd met expansie van heelal Temperatuurverschillen zijn maat voor materie in heelal MIRA 23 januari 2010 p 36

37 Samengevat Donk kere Mate erie in Ice ecube Metingen van CMB + andere observaties leren dat Slechts 5% van het heelal uit gekende atomenbestaat 95% volledig onbekend is MIRA 23 januari 2010 p 37

38 Donk kere Mate erie in Ice ecube De moeilijk weg naar de ontdekking: het experiment DE WARE AARD VAN DONKERE MATERIE

39 pauze MIRA 23 januari 2010 p 39 Donkere Materie in IceCube

40 drie wegen naar de ontdekking Donk kere Mate erie in Ice ecube Donkere materie gevangen in speciale detectoren Signalen opvangen van interacties van donkere materie in de Melkweg Nieuwe materie produceren bij versnellers MIRA 23 januari 2010 p 40

41 Bij deeltjesversnellers Donk kere Mate erie in Ice ecube Large Hadron Collider in CERN zoekt naar signalen van nieuwe materie MIRA 23 januari 2010 p 41

42 Donkere materie kandidaten Donk kere Mate erie in Ice ecube Deeltjesfysici verwachten dat bij LHC nieuwe deeltjes geproduceerd worden: supersymmetrische deeltjes Het neutralino is stabiel en kandidaat voor de donkere materie MIRA 23 januari 2010 p 42

43 Directe experimenten Donk kere Mate erie in Ice ecube Deeltje uit donkere materie hl halo van de Mlk Melkweg interageert met atoomkern in detector t Er wordt bvb warmte geproduceerd Dit uiterst kleine effect wordt opgemeten Probleem: Achtergrondstraling zuiverheid materiaal Warmte isolatie MIRA 23 januari 2010 p 43

44 Directe experimenten MIRA 23 januari 2010 p 44 Donkere Materie in IceCube

45 Onduidelijke resultaten Donk kere Mate erie in Ice ecube Men verwacht dat de flux verandert over de loop van het jaar: effect is waargenomen door DAMA (It) Mogelijk veroorzaakt door neutralino s Niet bevestigd door andere experimenten MIRA 23 januari 2010 p 45

46 Indirecte experimenten Donk kere Mate erie in Ice ecube Zoeken naar abnormale signalen uit zware objecten: centrum van Melkweg, Zon,.. Concentreren op Gamma-stralen anti-protonen anti-elektronen neutrino s IceCube! MIRA 23 januari 2010 p 46

47 Observatie van anti-materie Donk kere Mate erie in Ice ecube Geen duidelijk resultaat Neutralino donkere materie niet uitgesloten MIRA 23 januari 2010 p 47

48 Donk kere Mate erie in Ice ecube Neutrino astronomie of Astronomie zonder licht ICECUBE OBSERVATORIUM MIRA 23 januari 2010 p 48

49 kere Mate erie in Ice ecube University of Oxford EPFL Lausanne Bartol Research Inst., Delaware Alaska-Anchorage Anchorage University Pennsylvania State University Univ. of California Berkeley of California Irvine Clark-Atlanta University DonkUniv. of Maryland Univ. of Wisconsin-Madison Univ. of Wisconsin-RiverFalls LBNL, Berkeley Univ. of Kansas Southern Univ., Baton Rouge Uppsala Universitet Stockholm Universitet RWTH Aachen Humboldt Univ., Berlin Universität Dortmund MPI Heidelberg Universität Mainz Universität Wuppertal DESY, Zeuthen Chiba University Vrije Universiteit Brussel Universiteit Gent Université Libre de Bruxelles Université de Mons Univ. of Canterbury, Christchurch h h Icecube collaboratie ~250 wetenschappers 29 universiteiten

50 Donk kere Mate erie in Ice ecube Waarom en Hoe? NEUTRINO ASTRONOMIE MIRA 23 januari 2010 p 50

51 Astronomie met het blote oog Donkere Materie in IceCube

52 Observatie van het heelal Donk kere Mate erie in Ice ecube Telescoop Radiotelescoop X-stralen telescoop Neutrino telescoop Radio, IR UV, X neutrino

53 Verschillende kosmische boodschappers Donk kere Mate erie in Ice ecube Krabnevel 6500 lichtjaren radiogolven licht nnnnn Neutrino s? nnnnn ultraviolet X-stralen

54 Neutrino s Donk kere Mate erie in Ice ecube e Elektron ν e neutrino µ Muon ν µ neutrino ti τ Tauon ν τ neutrino u,d : up,down cs c,s : charm,strange t,b : top,bottom MIRA 23 januari 2010 p 54

55 Radioactief beta verval ecube erie in Ice kere Mate Donk Wolfgang Pauli, 1930 I have done a terrible thing, I have invented a particle that cannot be detected. W. Pauli Eerste waarneming in 1956 MIRA 23 januari 2010 p 55

56 Missie van IceCube Donk kere Mate erie in Ice ecube Oorsprong van kosmische straling met extreem hoge energie? Waar zitten de kosmische versnellers? Actieve melkwegstelsels (AGN)? BE Gamma Ray Bursts (GRB)? Supernova explosies? BE Samenstelling van de kosmische straling? BE Aard van de donkere materie? Een nieuw venster op het heelal

57 actieve melkwegstelsels Donk kere Mate erie in Ice ecube Gamma stralen Neutrino s Supermassief Zwart gat hoge dichtheid en zeer sterke gravitatiekrachten accretieschijf

58 Neutrino astronomie kere Mate erie in Ice ecube I have done a terrible thing, I have invented a particle that cannot be detected. W. Pauli astronomische neutrino s waar te nemen zijn reusachtige detectoren nodig uit DonkOm goedkoop materiaal : kubieke kilometer water of ijs uitgerust met speciale sensoren

59 Het instrument ICECUBE MIRA 23 januari 2010 p 59 Donkere Mate erie in IceCube

60 Donk kere Mate erie in Ice ecube Af en toe interageert een kosmisch neutrino met een atoom in ijs In de kerninteractie wordt een muon geproduceerd Het muon vliegt 1km ver in ijs muon interactie Het muon straalt blauw licht uit op zijn baan Optische sensoren registreren dit licht neutrino

61 In de 3000m dikke ijslaag Zuidpool station Donk kere Mate erie in Ice ecube IceCube lichtsensoren continent 2500m lange kabels Muonspoor Kernreactie neutrino

62 Donk kere Mate erie in Ice ecube 1km Muonspoor spoor van Cherenkov licht optische sensoren maakt opname van lichtpatroon E =LHC energie E =100 x LHC

63 ecube erie in Ice kere Mate Donk 4800 Optische Modules: elke sensor registreert een deel van het licht

64 Optische Modules Signaal naar oppervlakte Donk kere Mate erie in Ice ecube e - drukvat Computer voor Signaal digitisatie fotomultiplicator foton

65 Assemblering modules Europa Donkere Materie in IceCube

66 Assemblering modules Madison, VSA Donkere Materie in IceCube

67 Zuidpool Schachten boren Donk kere Mate erie in Ice ecube 2450m diep en 60cm diameter Boorkop spuwt heet water (80 C) in schacht Warm-water-boor 80 C Boren van een schacht in 24uur schachten h per seizoen (november-februari)

68 Waterslang 2,5 km lang 20cm diameter Donkere Materie in IceCube

69 Donkere Materie in IceCube MIRA 23 januari 2010 p 69

70 sensoren installeren Donk kere Mate erie in Ice ecube 60 optische modules per kabel dalen neer in 20 uur Elke module wordt vooraf getest aan de oppervlakte

71 Donkere Materie in IceCube

72 IceCube Controlekamer Donk kere Mate erie in Ice ecube In elke optische module zit een computer Deze stuurt de gegevens van de sensor naar de controlekamer

73 Hoever staan we? Donk kere Mate erie in Ice ecube 79 van de 86 kabels zitten in het ijs Is nu al de grootste neutrino detector ter wereld In februari 2011 is IceCube volledig af

74 Hoe werkt het? Donk kere Mate erie in Ice ecube Van opgenomen lichtpatroon Naar reconstructie van muonspoor Muonspoor geeft neutrino richting Neutrinorichting wijst naar neutrinobron ti in de hemel E µ =6 PeV, 1000 hits

75 Donkere Materie in IceCube MIRA 23 januari 2010 p 75

76 Donk kere Mate erie in Ice ecube Neutrino hemelkaart Donkere materie signalen ICECUBE WAARNEMINGEN MIRA 23 januari 2010 p 76

77 Donk kere Mate erie in Ice ecube IceCube 22 strings Noordelijke hemel gezien door neutrino bril 5000 neutrino s uit Noordelijke hemel opgenomen in 2007 Deze neutrino s komen met grote waarschijnlijkheid id allemaal uit de aardatmosfeer IceCube 22 strings Unbinned analysis few TeV < E < few PeV

78 licht Donkere Materie in IceCube neutrino s

79 Signalen van donkere materie Donk kere Mate erie in Ice ecube Sun χ ν μ ν int. Earth χ + χ q + q ν Detector μ Neutralino Neutrino Exotische materie standaard materie MIRA 23 januari 2010 p 79

80 Neutrino s uit de zon Donk kere Mate erie in Ice ecube Hoge energie neutrino s uit de zon wijzen op donkere materie Er is in IceCube nog geen duidelijk signaal waargenomen betere gevoeligheid vanaf 2011 Voorspelde flux gevoeligheid g MIRA 23 januari 2010 p 80

81 Samen gevat Donk kere Mate erie in Ice ecube Het is nu zeker dat het heelal bestaat uit 23% ongekende donkere materie De aard van deze materie is nog steeds een mysterie Er wordt ijverig gepoogd om een glimp op te vangen van deze deeltjes IceCube tracht een antwoord te bieden door te zoeken naar neutrino s van donkere materie interacties in de Melkweg De gevoeligheid van de experimenten zal in de komende 10 jaar aanzienlijk verbeteren Wij verwachten binnenkort verrassingen! MIRA 23 januari 2010 p 81

82 Meer informatie Donk kere Mate erie in Ice ecube IceCube IIHE(ULB-VUB) CERN MIRA 23 januari 2010 p 82