IceCube. neutrino s vangen uit de ruimte. Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel, IIHE(ULB-VUB) URANIA, 4 december 2007

Transcriptie

1 IceCube neutrino s vangen uit de ruimte Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel, IIHE(ULB-VUB) URANIA, 4 december 2007

2 IceCube een detector op Antarctica

3 IceCube 2006 Antarctica het laatste continent 2006 Amundsen 1911 Duncan Chessell

4 Antarctica : koudste en droogste continent op aarde Plateau is gemiddeld 2250m hoog. Lange en koude winter (9 maand) - gemiddeld -40 tot -60 C. Korte zomer (3 maand) - gemiddeld niet warmer dan - 20 C. Zuidpoolgebied = droogste woenstijn ter wereld: 3 tot 7cm neerslag per jaar. (vergelijk: Bagdad 15cm/jaar, België 200cm/jaar) Hoogste jaargemiddelde windsnelheid op aarde.

5 Amundsen Scott South Pole Station Het eeuwige ijs

6 Amundsen Scott South Pole Station

7 Amundsen Scott South Pole Station Dome: oud station zomerkamp Nieuw station Basis voor overwinteraars

8 Amundsen Scott South Pole Station

9 Amundsen Scott South Pole Station IceCube observatorium Op 2000m diepte

10 1km De IceCube detector Bevindt zich 2km onder het ijsoppervlak Heeft een volume van 1km 1km 1km Zoekt naar neutrino s uit de ruimte

11 Prinses Elisabethbasis

12 Zomer November-februari 200 personen: 50 wetenschappers arbeiders 2/3 mannen, 1/3 vrouwen 2 douches per week -40 C

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

14 IceCube Belgische deelname

15 University of of Oxford Oxford University Utrecht Utrecht Bartol Bartol Research Inst., Inst., Delaware Anchorage University Pennsylvania State State University UC UC Berkeley UC UC Irvine Irvine Clark-Atlanta University Univ. Univ. of of Maryland University of of Wisconsin-Madison University of of Wisconsin-RiverFalls LBNL, LBNL, Berkeley University of of Kansas Southern Univ., Univ., Baton Baton Rouge Rouge Uppsala University Stockholm University RWTH RWTH Aachen Humboldt Univ., Univ., Berlin Berlin Universität Dortmund MPIK MPIK Heidelberg Universität Mainz Mainz Universität Wuppertal DESY, DESY, Zeuthen Universite Libre Librede de Bruxelles Vrije Vrije Universiteit Brussel Université de de Mons-Hainaut Universiteit Gent Gent Chiba Chiba University Univ. Univ. of of Canterbury, Christchurch IceCube Collaboration ~250 wetenschappers 25 universiteiten

16 Dirk RYCKBOSCH Universiteit Gent Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel Daniel Bertrand Université Libre de Bruxelles IIHE(ULB-VUB) Philippe Herquet Université de Mons-Hainaut Belgische groepen in IceCube ~20 wetenschappers

17 Het Interuniversity Institute for High Energies Opgericht in 1972 door VUB en ULB Telt nu 60 leden, 50/50 VUB en ULB Gevestigd op VUB campus in Etterbeek Studie van interacties tussen elementaire deeltjes bij LHC versneller in CERN (Genève) HERA versneller in DESY (Hamburg) CERN neutrino bundel naar Gran Sasso (Italië) Waarneming van kosmische neutrino s met IceCube detector op de Zuidpool Ontwikkeling van detectoren voor medische beeldvorming o.a. scanners

18 IceCube doelstellingen

19 Missie van IceCube Onderzoek van de oorsprong van kosmische straling met extreem hoge energie ~ miljoen keer LHC versneller in CERN Waar in de ruimte zitten kosmische versnellers die deeltjes versnellen tot zeer hoge energie? Centra van actieve melkwegstelsels? Supernova explosies? Gamma Ray Bursts?.. Waaruit bestaat de donkere materie in het heelal?

20 IceCube Een nieuw venster op het heelal astronomie zonder licht?

21 Waarom neutrino s? Krabnevel 6500 lichtjaren van hier Gezien in China in 1054 radiogolven licht Neutrino s? ultraviolet X-stralen

22 Astronomie wordt bedreven in verschillende golflengtes: zichtbaar licht, radiogolven, X-stralen, γ stralen, geladen deeltjes, neutrino s

23 Kosmische straling Deeltjes uit de ruimte bombarderen voortdurend de aarde Geladen deeltjes ioniseren de atmosfeer rond de polen veroorzaakt dat poollicht, aurora

24 kosmische straling Flux(m 2 sr s GeV) -1 Lage energie deeltjes afkomstig uit melkweg 1 deeltje / m 2,s Tussen en ev : deeltjes afkomstig uit Melkweg verliezen bij hoge energie LHC versneller in CERN Boven ev : deeltjes afkomstig van buiten Melkweg IceCube Energie (ev)

25 Waar zitten de objecten die kosmische deeltjes hoge energieën kunnen geven? Centra van actieve melkwegstelsels? Supernova explosies?.

26 In het centrum van een actief melkwegstelsels regio met hoge dichtheid en zeer sterke gravitatiekrachten Supermassief Zwart gat accretieschijf jet

27 deeltjesversneller jet γ,ν,.. Geladen deeltjes worden in jets versneld in schokgolven Interactie straling (fotonen) met elektronen en protonen e + γ γ ' p γ π π + + 0,,... π 0 γ + γ accretieschijf π + e + + ν + ν + ν e µ µ

28 Actief melkwegstelsel

29 SuperNova SN1987A geboorte neutrino astronomie 23 februari 1987 : Supernova explosie in Grote Magellaanse Wolk lichtjaar verwijderd van de aarde waargenomen door verschillende telescopen 24 neutrino s worden tijdens 13s waargenomen door 3 detectoren in Japan, Rusland en de VSA voor na 24 neutrino s dragen 99% van de SuperNova energie mee!!

30 SN1987A Neutrino energiespectrum

31 Nobelprijs Fysica 2002 Voor de detectie van kosmische neutrino s Raymond Davis jr. neutrino s van de Zon Masatoshi Koshiba SN1987A Kamiokande

32 Observatie van het heelal meerdere soorten straling/deeltjes geven complementaire informatie p ν µp nγ

33 Neutrino astronomie

34 Astronomische bron Neutrino s Lading = 0 - Worden niet afgebogen in magnetische velden γ ν p Worden niet ge-absorbeerd door materie en straling IceCube ν Hebben slechts zwakke wisselwerkingen met materie en straling Bereiken bijna ongehinderd de aarde Reizen dwars door de aarde heen Wijzen recht van detector naar bron

35 Radioactief verval en het postulaat van neutrino s n p + e -! energiebalans Wolfgang Pauli, 1930

36 Radioactief verval en het postulaat van neutrino s n p + e - + n Wolfgang Pauli, 1930

37 Radioactief verval en het postulaat van neutrino s n p + e - + n e Wolfgang Pauli, 1930 I have done a terrible thing, I have invented a particle that cannot be detected. W. Pauli

38 1956: De ontdekking van neutrino s Cowan und Reines Nobelprijs fysica 1995

39 1989: LEP versneller in CERN Er zijn 3 soorten neutrino s ν + N e + X e ν + N µ + µ X ν τ + N τ + Interacties van neutrino s met materie detectie X

40 Neutrino astronomie I have done a terrible thing, I have invented a particle that cannot be detected. W. Pauli Om astronomische neutrino s waar te nemen zijn reusachtige detectoren nodig uit goedkoop materiaal : kubieke kilometer water of ijs uitgerust met sensoren

41 PAUZE

42 IceCube het instrument

43 Neutrino detectie µ µ ν ν

44 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 Cherenkov lightkegel muon Detector interactie Het muon straalt blauw licht uit op zijn baan Optische sensoren registreren dit licht neutrino

45 Cherenkov licht Copyright 2001 Purdue University

46 In de 3000m dikke ijslaag Zuidpool station 2500m lange kabels IceCube lichtsensoren continent µ ν 60 sensoren per kabel Muonspoor Kernreactie neutrino

47 Muonspoor 1km spoor van Cherenkov licht Rooster optische sensoren maakt opname van lichtpatroon E = ev LHC energie E = ev 100 x LHC

48 4800 Optische Modules: elke sensor registreert een deel van het licht Fotonvermenigvuldiger Naar beneden gericht

49 Optische Modules Signaal naar oppervlakte drukvat Signaal digitisatie e - fotomultiplicator foton

50 Europa Assemblering modules

51 Assemblering modules Madison, VSA

52 Zuidpool Schachten boren 2450m diep en 60cm diameter Warm-water-boor 80 C Boorkop spuwt heet water (80 C) in schacht Boren van een schacht in 24uur 18 schachten per seizoen (november-februari)

53 Waterslang 2,5 km lang 20cm diameter

54 sensoren installeren 60 optische modules per kabel dalen neer in 20 uur Elke module wordt vooraf getest aan de oppervlakte

55

56 Gegevens Gbyte per jaar aan gegevens Controlekamer & rekencentrum 30 Gb/dag per sateliet naar de VS Volledige bestand naar VS op magneetband in november Data center in University of Wisconsin in Madison

57 Toestand november 2007: 22 kabels Completion by : add 14 to 18 strings IceTop IceCube 80 strings of 60 Optical modules each 1450m 2450m November 07: 22 strings deployed strings deployed strings deployed string AMANDA-II 19 strings 677 modules

58 Kostprijs IceCube detector 250M$ Onderdelen optische modules, kabels elektronica, computers, software ~100M$ Boren schachten en installatie sensoren Salarissen Transport naar Zuidpool van materiaal en personeel, huisvesting personeel Belgische bijdrage, zonder salarissen 1,4 M ª 2M$ ª 2% van instrumentatie Gefinancierd door FWO + FNRS

59 Operationele kosten 5M$ per jaar Salaris winter overs Rekencentrum in VSA Herstellingen, verbeteringen Salarissen logistieke ploeg Belgische bijdrage 0,06M voor Common Fund Ter beschikking stellen van een cluster van 200 PCs voor productie van simulatie gegevens Gefinancierd door FWO + FNRS Vastgelegd in Memory Of Understanding

60 IceCube en AMANDA waarnemingen

61 De AMANDA detector 1450m 2450m AMANDA-II 19 kabels 200mx500m 677 optische modules Neemt gegevens sedert 2000

62 AMANDA neutrino hemelkaart Noordelijke hemel gezien door neutrino detector AMANDA 4282 neutrino s waargenomen AMANDA II

63 Zijn er concentraties van neutrino s in een bepaalde richting? 4282 neutrino s waargenomen Na statistische analyse, en volgens de huidige theoretische kennis zijn ze hoogst waarschijnlijk allemaal geproduceerd in de atmosfeer 75 o AMANDA II o 45 o 3 2 Grootste fluctuatie: 3.7s 30 o o h 0h -3-2

64 Zijn er concentraties van neutrino s in een bepaalde richting? 4282 neutrino s waargenomen Na statistische analyse, en volgens de huidige theoretische kennis zijn ze hoogst waarschijnlijk allemaal geproduceerd in de atmosfeer 75 o Neen! AMANDA II o 45 o h 30 Grootste fluctuatie: o 3.7 s Kan statistisch verklaard worden door lokale fluctuatie van atmosferische neutrino flux 15 o 0h

65 Missie van IceCube Onderzoek van de oorsprong van kosmische straling met extreem hoge energie ~ miljoen keer LHC versneller in CERN Waar in de ruimte zitten kosmische versnellers die deeltjes versnellen tot zeer hoge energie? Centra van actieve melkwegstelsels? Supernova explosies? Gamma Ray Bursts?.. Waaruit bestaat de donkere materie in het heelal? seminarie volgende week

66 Neutrino observatoria in het Noordelijk halfrond

67 Hoge energie neutrino detectoren in de wereld Antares Nestor, Nemo Km3: KM3NeT Baikal Amanda Km3: IceCube

68 ANTARES nabij Toulon onderwater detector Zelfde principe als IceCube Grootte van AMANDA Afgewerkt begin 2008 KM3Net kubieke km rooster

69 Dank u voor uw aandacht Meer informatie: icecube.wisc.edu w3.iihe.ac.be