IceCube. Ontmoeting Tussen Deeltjesfysica En astronomie Op de Zuidpool

Transcriptie

1 IceCube Ontmoeting Tussen Deeltjesfysica En astronomie Op de Zuidpool Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel Interuniversity Institute for High Energies 24 maart 2006

2 IceCube collaboration: 200 physicists, 25 groups from USA(12), Europe(11), Japan(1), New Zealand(1) Belgium: IIHE(ULB-VUB) Brussels, Univ Gent, Univ Mons Hainaut ICECUBE South Pole road to work Dome AMANDA Summer camp 1500 m 2000 m C. De Clercq - [not VUBto24 maart 2006 scale] Amundsen-Scott South Pole station IceCube neutrino observatorium 2

3 Waarom een kubieke km neutrino detector bouwen? Doelstellingen

4 Fysische doelstellingen Oorsprong van kosmische straling begrijpen Welke zijn de kosmische versnellers? Observatie neutrino s afkomstig van bronnen buiten de atmosfeer hoge energie Observatie van neutrino s afkomstig van donkere materie Monitoring van SuperNova explosies in de Melkweg En andere C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 4

5 Kosmische straling Wat is kosmische straling? Welke zijn de kosmische versnellers?

6 Kosmische straling Primaire kosmische straling Hoofdzakelijk p en α deeltjes Interacties in de atmosfeer secundaire deeltjes Enkele deeltjes bereiken de aarde hoofdzakelijk muonen en neutrino s Coming out of space and incident on the high atmosphere, there is a thin rain of charged particles known as primary cosmic rays C.F. Powell C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 6

7 Ontdekkingen in kosmische straling 1947: eerste deeltje met «vreemdheid»=kaon 1932: Ontdekking van het anti-elektron = positron C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 7

8 Primaire kosmische straling Flux(m 2 sr s GeV) -1 Rico=2.7 Lage energie deeltjes afkomstig uit melkweg tot ev («knie») Rico=3.0 Tussen en ev : deeltjes uit Melkweg verliezen bij hoge energie Boven ev : deeltjes afkomstig van buiten Melkweg Energie (ev) C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 8

9 Komische versnellers versnelling in centrum van actief melkwegstelsel Zwart gat accretieschijf met bewegende materie (sterren, stof, gas) Geladen deeltjes (vb elektronen) worden versneld en verlaten accretieschijf vormen 2 «jets» Magneetvelden veroorzaakt door bewegende ladingen Interactie straling (fotonen) met elektronen en protonen Productie lawine elementaire deeltjes C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 9

10 Voorbeeld actief melkwegstelsel Radio opname Cygnus A Kosmische straling? C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 10

11 Neutrino astronomie Principe Neutrino detectors

12 Boodschappers uit het heelal Energie (ev) Flux Radio CMB Visible 400 microgolf fotonen per cm 3 GeV γ-rays 1 TeV = LHC C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 12

13 Boodschappers uit het heelal TeV sources! cosmic rays C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 13 / ν

14 Astronomische bron Neutrino astronomie - principe Neutrino s als astronomische boodschappers γ ν p Worden niet afgebogen in magnetische velden ( protonen) Worden niet ge-absorbeerd door materie en straling ( fotonen) ν Hebben slechts zwakke wisselwerkingen met materie en straling IceCube Bereiken bijna ongehinderd de aarde Wijzen recht van detector naar bron C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 14

15 Neutrino detectie Detectie van deeltjes en straling berust op de interactie met materie Neutrino s zijn enkel gevoelig aan de zwakke wisselwerking lage interactie waarschijnlijkheid Om TEV neutrino s te detecteren zijn reusachtige telescopen nodig: orde kubieke km Detector moet bestaan uit goedkoop materiaal: water of ijs C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 15

16 Af en toe interageert een kosmisch neutrino met een atoom in rots of ijs In de interactie wordt een muon (of elektron of tau) geproduceerd Cherenkov lightkegel muon Detector interactie Het muon straalt blauw licht uit op zijn baan Optische sensoren registreren dit licht neutrino C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 16

18 Spoorreconstructie 1 km Simulatie van spoor van 10 TeV muon in IceCube Muon laat achter zich een spoor van Cherenkov licht Een rooster optische sensoren, fotomultiplicatoren, maakt opname van lichtpatroon Men registreert in elke sensor de intensiteit en aankomsttijd van lichtpuls Aangepaste software voor patroon herkenning, spoorreconstructie Aankomsttijden opgaand of neergaand muon Tijden + intensiteit hoek en energie C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 18

19 IceCube detector Overzicht De optische modules

20 0m -1450m -2450m IceTop 1km De IceCube detector 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 C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 20

21 South Pole road to ICECUBE work AMANDA 1500 m 2000 m C. De Clercq -[not VUBto24 maart 2006 scale] Amundsen-Scott South Pole station IceCube neutrino observatorium 21

22 Cherenkov lightkegel elke optische module registreert een deel van het licht neutrino C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 22

23 Optische Modules Naar beneden gericht om neutrino s te observeren komende uit de Noordelijke hemel kabeldoorgang Signaal naar oppervlakte hoogspanningsgenerator drukvat Signaal digitisatiekaart optische gel e - fotomultiplicator Afscherming tegen magneetveld foton C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 23

24 fotomultiplicator Klaar om in het ijs te laten zakken Optische Module C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 24

25 Bouw van de detector Reis naar de Zuidpool Boren van de schachten Installatie van de sensoren

26 Na 24u vlucht vanuit België, aankomst in het verzamelpunt voor vertrek naar Antarctica Christchurch, New Zealand International Antarctic Center C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 26

27 Per C130 van Nieuw Zeeland naar Mc Murdo, Antarctica 8u vlucht C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 27

28 Tussenstop om van vliegtuig te veranderen McMurdo,, Antarctica C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 28

29 Na de laatste 1000km : landing op de Zuidpool 3000m hoogte! Amundsen-Scott South Pole station C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 29

30 De schachten boren Schacht = 2450m diep en 60cm diameter Warm-water-boor Boren van een schacht duurt uur 18 schachten per seizoen (november-februari) C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 30

31 Boorkop spuwt heet water (80 C) in schacht C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 31

32 Waterslang 2,5 km lang 20cm diameter C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 32

33 In-Door deployment Tower Operations Structure (TOS) DOM Hub Slip Ring Cable Winch Deployment Room OMs DAQ Entire string can be operated as soon as the OMs are connected. Can operate string during drop C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 33

34 sensoren installeren 60 optische modules per kabel dalen neer in 20 uur Elke module wordt vooraf getest aan de oppervlakte C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 34

35 C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 35

36 Planning 9 kabels = 540 sensoren zitten nu in het ijs Februari 2007: 1620 sensoren = 2 x AMANDA Vanaf hier zijn IceCube gegevens bruikbaar 2011 observatorium is volledig af C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 36

37 USA(12) Clark Atlanta U. Inst. Adv. Study, Princeton U. Delaware, Newark UC Berkeley LBNL Berkeley South. U. and A & M Col. UC Irvine Pennsylvania State U. U. Kansas U. Maryland UW Madison UW River Falls De IceCube collaboratie Een internationaal consortium I.I.H.E.-VUB I.I.H.E.-ULB U. de Mons-Hainaut U. Gent Imperial Coll., London Oxford Univ. DESY, Zeuthen New Zealand U. Canterbury, Christchurch Europe(14) Mainz Univ. Humboldt U. Berlin Wuppertal Univ. Dortmund Univ. Stockholm Universitet Uppsala Universitet Univ. Utrecht Japan Chiba University Antarctica South Pole Station C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 37

38 Het Brussels team Daniel Bertrand Catherine De Clercq Patrick Berghaus Bruny Baret Interuniversity Institute for High Energies(ULB-VUB) Abdeslem Rrhioua Alfio Rizzo Mathieu Labare Daan Hubert C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 38

39 Enkele resultaten Gegevens van AMANDA Neutrino-stralers Donkere materie

40 Gegevens Data genomen met AMANDA in Opnames van februari tot november (8 mnd per jaar) Enkele periodes met detector problemen Effectieve opnametijd: 807 dagen ~ 80% efficiëntie Totaal aantal opgenomen muonen: 10 9 per jaar Waaronder 5000 (10 3 ) neutrino s uit Noordelijke hemel = signaal C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 40

41 Astronomische bron Signaal en ruis ruis/signaal = 10 6 γ ν p N Signaal = opgaande muonen van neutrino s uit Noordelijke hemel Ruis = neergaande muonen uit Zuidelijke atmosfeer ν Uitdaging voor de fysici: enkele duizend interessante muonen filteren uit miljarden events Z C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 41

42 Selectie opgaande neutrino s In data van werden 3369 opgaande muonen uit ruis gefilterd Afkomstig van neutrino s gecreëerd in Noordelijke hemel Nauwkeurigheid op hoekbepaling 2,5º men verwacht 3438 opgaande muonen afkomstig van neutrino s uit Noordelijke atmosfeer berekend met gesimuleerde gegevens volgens theoretisch model C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 42

43 Neutrinokaart Noordelijk hemel Elk punt = neutrino 3369 neutrino s waargenomen 3438 verwacht indien enkel atmosferische neutrino s bestaan AMANDA 3369 ν µ Zijn er ergens actieve neutrino stralers? Vb zwart gat in centrum melkwegstelsel C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 43

44 Specifieke neutrino-stralers stralers? Significantie (# standaard deviaties) van lokale fluctuaties Positief: teveel Negatief: tekort In vergelijking met hypothese dat alle neutrino s uit atmosfeer komen Statistische analyse gegevens opsporen lokale «hot spots» Maximum 3,4 standaard deviaties Kan verklaard worden als statistische fluctuatie Geen neutrino-stralers ontdekt C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 44

45 Specifieke neutrino-stralers stralers? Enkele voorbeelden van gecatalogeerde astronomische objecten Markarian 421 actief melkwegstelsel - TeV γ straler δ=38.2, α=11.07h Krabnevel SuperNova restant δ=22.0, α=5.6h Tot hiertoe geen neutrino s uit gecatalogeerde bronnen C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 45

46 Donkere materie Observaties leren dat heelal bestaat uit Max. 1% zichtbare materie = licht, radiogolven etc 99% donkere materie Snelheid sterren B = waarnemingen A = Verwacht indien enkel zichtbare materie Afstand van centrum van melkwegstelsel Er is meer materie dan dezediewe«zien» C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 46

47 Natuur van de donkere materie 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 C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 47

48 Indirecte detectie van neutralino s Neutralino s worden gevangen in de Zon ze annihileren met elkaar neutrino s Neutralino ontsnappen capture uit deze interactie and enkele annihilation neutrino s bereiken de aarde en de AMANDA/IceCube detector ρ χ Sun χ velocity distribution ν interactions Earth σ scatt ν µ ν int. µ int. Γ capture Γ annihilation qq χχ ll ν µ W ±, Z,H interactions hadronization cc,bb,tt,τ + τ,w ±, Z 0, H ± H 0 Detector µ Silk, Olive and Srednicki, 85 Gaisser, Steigman & Tilav, 86 Freese, 86; Krauss, Srednicki & Wilczek, 86 Gaisser, Steigman & Tilav, 86 C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 48

49 Zoektocht naar DM met AMANDA Zoeken naar hoge energie neutrino s uit de Zon Geen signaal ge-observeerd enkel neutrino s uit atmosfeer Conclusie 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 annihilatie van deze neutralino s zwakker dan de huidige gevoeligheid van AMANDA Volgens onze observaties is deze neutrino flux dan < 2000 deeltjes/km2/jaar C. De Clercq - VUB 24 maart 2006 IceCube neutrino observatorium 49