Alexander Kappes DPG-Frühjahrstagung München, 12. März 2009 Das Universum im Neutrinolicht: Neues von IceCube und ANTARES

Alexander KappesDPG-FrühjahrstagungMünchen, 12. März 2009

Das Universum im Neutrinolicht:Neues von IceCube und ANTARES

Alexander Kappes, DPG-Frühjahrstagung, München, 12.03.2009 2

Übersicht

• Das Hochenergie-Universum und Einführung in die Neutrino-Astronomie

• Neutrino-Teleskope: IceCube und ANTARES

• Ausgewählte Resultate

• Perspektiven mit IceCube und KM3NeT


Boten des Hochenergie-Universums

Cosmic ray spectrum

109 1012 1015 1018 1021

energy (eV)

10-27

10-21

10-15

10-9

10-3

103

Flu

x (G

eV-1 m

-2 s

-1 s

r-1)

LHC


Das Hochenergie-Universum

Gamma-ray Bursts(GRB 080319B, röntgen, SWIFT)

Aktive Galaktische Kerne(künstlerische Darstellung)

Supernova-Überreste(SN1006, optisch, radio, röntgen)

Mikroquasare(künstlerische Darstellung)


Beschleuniger (Quelle)

• Schockfronten (Fermi-Beschleunigung)

• Objekte mit starken Magnetfeldern (Pulsare, Magnetare)

Beam dump (Produktion von Sekundärteilchen)

• Wechselwirkung mit Photon-Feldern, Materie

• Protonen: Pion-Zerfall

• Elektronen: inverse Compton-Streuungvon Photonen

e + γ → e + γ (TeV)

Produktion hochenergetischer Teilchen im Universum

p + p(γ) → π± + X μ + νμ

e + νμ + νe

p + p(γ) → π0 + X γ + γ (TeV)


Warum Neutrino-Astronomie?

• Neutrinos zeigen zurück zur Quelle

• Neutrinos überwinden kosmologische Distanzen

• Neutrinos entkommen optisch dichten Quellen

• Neutrinos sind ein klares Anzeichen für Hadron-Beschleunigung

Neutrinos liefern komplementäre Informationen zu Gamma-Photonenund Protonen


Nachweis von kosmischen Neutrinos

muon

νμnuclearreaction

cascade


• Fluss von oben dominiert von atmosphärischen Myonen

• Neutrino-Teleskope vor allem sensitiv aufNeutrinos von unten

Untergrund: Atmosphärische Myonen & Neutrinos

kosmische Strahlung

~15 km

π+

μ+

νμ

Atm

ospähre

p


Neutrino-Teleskope:

IceCube und ANTARES


Himmelsabdeckung

Sichtbarkeit ANTARES (Mittelmeer) > 75% 25% – 75% < 25%

TeV γ-Strahlungsquellen galaktische extragalaktisch

Sichtbarkeit IceCube (Südpol) 100% 0%


IceCube am Südpol

Südpol

IceCube


1450 m

2450 m

IceCube

• IceTopLuftschauerdetektor

• InIce80 Strings (4800 PMTs)Status: 58 Strings installiertInstrumentiertes Volumen: 1 km3

• DeepCore6 zusätzliche StringsDichter gepacktErster String 2008/09 installiert

Niederenergie-Physik, E < 1 TeV (WIMPs, . . . )


Eis-Eigenschaften

• Photon-Propagation im Eis durch Streuung dominiert

λabs ~100 mλscat ~20 m

• Datenanalyse sensitiv auf Eis-Eigenschaften

• Eis-Eigenschaften genau vermessen


ANTARES im Mittelmeer

Unterseekabel (45km)

Küstenstation


• 12 Lines (885 PMTs)

• Datennahme mit dem kompletten Detektor seit Mai 2008

• Instrumentiertes Volumen: ~0.01 km3

ANTARES

2100 m

2475 m


• Lines bewegen sich und rotieren in Meeresströmung

• Akustisches Positionierungssystem + Neigungmesser und Kompasse

• Überprüfung der Positionierung mit Ankunftszeiten von Laserpulsen

• Präzision ~0.5 ns = 10 cm

Positionsbestimmung der PMTs

Laser

0.5 ns

0-1-2-3-4 1 2 3 4measured – calculated (ns)


Optischer Untergrund

Optischer Untergrund durch 40K-Zerfall und Biolumineszenz

• Typische Rate pro PMT 60-100 kHz

• Zeitweise kurze Bursts und Perioden mit hohen Raten

Mar.’06 Sept.’06 Mar.’07 Sep.’07 Mar.’08

Med

ian

rate

(kH

z)


Ausgewählte Resultate


ANTARES: Atmosphärische Myonen & Neutrinos

Von unten:ν-induzierte Myonen

ANTARES (173 days)

Von oben:atm. Myonen


• Keine Neutrino-Referenzquelle um absolute Detektorausrichtung zu überprüfen

• Verwendung des Defizits von atm. Myonen aus Richtung des Mondes

- Mond-Durchmesser 0.5°

Winkelauflösung

- IceCube 80-String < 1°

- ANTARES < 0.5°

• Erste Beobachtung des Monds mit2 Monaten IceCube 40-String Daten

IceCube: Der Mondschatten

even

ts

on-Moon – off-Moon

IceCube(preliminary)


• Himmelskarte von ANTARES 5 Lines (140 Tage, 94 Ereignisse)

• Kein signifikanter Überschuss über Untergrund

ANTARES: Suche nach Punktquellen


• IceCube 22-String Himmelskarte (276 Tage, ~5000 Ereignisse)

• Größte Anhäufung bei r.a. 153º, dec. 11º

• Pre-trial Signifikanz: 4.8 sigma (Wahrscheinlichkeit p = 7×10-7)

• Post-trial Signifikanz: 2.2 sigma (p = 1.3%)

preliminary

IceCube: Suche nach Punktquellen


• IceCube 22-Strings + AMANDA pre-trial Signifikanz

• Optimiert für weichere Spektren (Energie Cut-off bei einigen TeV)

• Max. Anhäufung (p = 0.37%): erwartet in 95% aller Untergrundfälle

IceCube: Scan der galaktischen Ebene

longitude (30˚ – 215˚)

latit

ude

(±3˚

) pre-trial significance


Aktuelle obere Limits für Punktquellen

ANTARES: 5 lines 140 days (limits) 12 lines 1 year (pred. sensitivity)

IceCube: IceCube 22 strings 276 days (sensitivity)

IceCube 2007-2009 IceCube 2007–2012 (Spiering, HGF review, 2009)

90% C.L. upper flux limits for E-2 spectra (preliminary)

VorhersagenHalzen, AK, O’Murchadha, PRD (2008)AK, Hinton, Stegmann, Aharonian, ApJ (2006)Kistler, Beacom, PRD (2006). . .

MACRO (6 years)Super-K. (4.5 years)

AMANDA (3.8 years)


Getriggerte Suchen• Profitieren von der von Satelliten gemessenen Zeit und Position• Geringe Anzahl von Ereignissen pro GRB erwartet “Burst-Stacking” ➞

Nicht getriggerte Suchen• Mögliche große Population von “choked“ GRBs; unsichtbar in γ-Strahlung• Suche nach zeitlicher und räumlicher Anhäufungen von Ereignissen

Gamma-Ray Bursts

Fireball model

Precursor

~-100 s T0 ~100 s > 1000 s

TeV neutrinosPeV neutrinos

EeV neutrinos

Prompt


IceCube: Limits auf Neutrinoflüsse von GRBs

AMANDA, all flavors

untriggered (562 days)

triggered (419 bursts)

Prompt: Waxman & Bahcall, PRL (1997)Precursor: Meszaros & Waxman, PRL (2001) Triggered: A. Achterberg et al., ApJ (2008) Untriggered: A. Achterberg et al., ApJ (2007)

precursor

prompt

Perspektiven: 200 – 300 getriggerte GRBs pro Jahr (Fermi, Swift)IceCube wird vorhergesagte Flüsse in nächsten Jahren entdecken können


Weitere Physik

Punktquellen:

• Variable Quellen

- Extragalaktische ν-Quellkandidaten nicht konstant (z.B. AGNs)

- Verwendung von Beobachtungen in z.B. γ-Strahlung zur Eingrenzung des Suchzeitfensters (Reduktion des Untergrundes)

• Verwendung von Ereigniskoinzidenzen im Neutrinoteleskop zum Triggern von Beobachtungen mit optischen Teleskopen

Andere Themen:

• Dunkle Materie (WIMPs)

• Supernovae (MeV Neutrinos)

• Neutrino-Oszillation (atmosphärische Neutrinos 10 - 100 GeV)

• Exotische Physik (Lorentz-Symmetrieverletzung, Monopole, . . .)


Perspektiven mit

IceCube und KM3NeT


• IceCube: Im Vergleich zu AMANDA (7 Jahre)Faktor 25 verbesserte Sensitivität

- Größerer Detektor + Datenqualität

- Akkumulierte Daten

- Verbesserte Analysemethoden

• IceCube erreicht Regionen mit realistischem Entdeckungspotential

aber Flussberechnungen deuten darauf hin, dass IceCube den interessanten Bereich nur ankratzen wird

. . . und IceCube deckt nur den halben Himmel ab

Blick in die Zukunft der Neutrino-Astronomie

Spiering, HGF review, 2009


• km3-scale Neutrino-Teleskop im Mittelmeer

(auch Infrastruktur für Meeres- und geologische Forschungen)

• Gemeinsame Anstrengung der ANTARES, NEMO und NESTOR Pilotprojekte

+ Institute aus der Meeresforschung und Technologie

• Projekt auf der Roadmap des European Strategy Forum for Research Infrastructures (ESFRI)

• EU finanzierte Design Studie (2006-2009)

KM3NeT

Künstlerische Darstellung


KM3NeT: Sensitivität

Wesentlich sensitiver als IceCube für Punktquellen

KM3NeT (1 yr)(conservative)

IceCube (1 yr)

KM3NeT CDR http://www.km3net.org/publications.php


KM3NeT: Timeline

nownow

Feb

2006

Feb

2006

Mar

200

8

Mar

200

8

Oct 2

009

Oct 2

009

Mar

201

1

Mar

201

1

Construction phaseConstruction phase

Data taking phaseData taking phase

TDRTDRCDRCDR

Design StudyDesign Study

Preparatory PhasePreparatory Phase


Zusammenfassung

• Neutrinos liefern zu Gamma-Photonen und Protonen komplementäre Informationen über das Hochenergie-Universum

• ANTARES fertiggestellt und 70% von IceCube installiert

• Bis jetzt keine hochenergetischen, kosmischen Neutrinos identifiziert

- IceCube dringt in den nächsten Jahren in Regionen mit realistischem Entdeckungspotenzial vor

- KM3NeT in Design-Phase

The real voyage of discovery consists not in seeking new landscapes, but in having new eyes . . .

Marcel Proust

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Alexander Kappes DPG-Frühjahrstagung München, 12. März 2009 Das Universum im Neutrinolicht: Neues von IceCube und ANTARES