Melitta Naumann-God ó

Melitta Naumann-Godó

Schule für Astroteilchenphysik in Obertrubach-Bärnfels

6. – 15. Oktober 2004

GRB-Neutrino Detektion mit dem ANTARES Teleskop

Melitta Naumann-Godó Schule für Astroteilchenphysik in Obertrubach-Bärnfels Okt 2004

Das Feuerball-Modell [Waxmann, Bahcall]

• Burstquelle ist kompaktes Objekt, das einen mit v ~ c ausbreitenden Materiefluss bewirkt ( > 100)• Burst entsteht wenn im Materie-ausfluss verschiedene Schalen sich mit unterschiedlichen ausbreiten und kollidieren

• Wenn Feuerball durch das umgebende Medium auf v << c abgebremst wird entsteht der Afterglow (wochenlanges Nachglühen der Materie)Feuerball meist anisotrop: ultra-relativistische Jets mit Öffnungswinkel

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Melitta Naumann-Godó Seminar zu aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik 2004

Das Feuerball Modell: Strahlungsprozesse

Elektronen

• Spektrum: • Produktionsrate:

• Energieverluste durch: Synchrotron-Strahlung Inverse Comptonstreuung

• Entstehung von keV-MeV

Protonen

• Spektrum: • Produktionsrate:

• Energieverluste durch:

-Resonanz + e+e 0 2

• Entstehung von ~1014 eV Neutrinos

13442 108.0 yrMpcergdnd ppp 13442 103.0 yrMpcergdnd eee

2 eee ddn 2 ppp ddn


Neutrinos aus der inneren Schockregion ~ 1014 eV

Neutrinoerzeugung über Photo-Meson-Produktion:

Schwellenenergie:

mit ~ 1 MeV, ~ 300 folgt: p ~ 1016 eVPion erhält ca. 20% der Protonenenergie, die sich gleich auf alle Zerfalls-

Leptonen verteilt ~ 1014 eV

Protonenerzeugungsrate:

Neutrinofluss:

srscm

GeV

eVx 21492

10,1min10

μeμ ννeνμ

πnγp

mmpp

1344

0

2 108.0

yrMpcergdndzppp


Afterglow-Neutrinos ~ 1017 eV

Hochenergetische Protonen (beschleunigt in „reverse shocks“) können mit 10 – 1000 eV Photonen reagieren und über Pionzerfall 1017 – 1019 eV Neutrinos erzeugen

Neutrinofluss abhängig von der Dichte der Materie, die Feuerball umgibt: a) n~1 cm-3 bei interstellarer Materieb) n~104 cm-3 Sternenwind bei Kollaps eines massiven Sterns

a) Fluss zu niedrig nicht detektierbar

b) Fluss

eV

eV

cm

GeV

eVx 17

17

2175.22

105.0

101

1010


Neutrinoflüsse von GRBs


GRB-Neutrinodetektion mit ANTARES

• Satelliten Trigger durch GCN (GRB Coordinates Network)• Richtungsbestimmung Anfangsgenauigkeit ~0.1-2°(stat)+2°(syst)=3°• Schmales Zeitfenster ~30s

massive Untergrundunter-drückung bei -Detektion, da räumliche und zeitliche Korrelation mit Satellitendaten


Abschätzung des GRB Flusses in ANTARES

N

AeffWTErdeT m

NEVNdEPtNEEEN

)()()(


Abschätzung der erwarteten

Wirkungs-querschnitt (N)

N

AeffWTET m

NEVNdEtEPNEEEN

)()()(

Effektives Volumen bei 60 kHz

tGRB ~ 107 sGRB ~ 2

tATM ~ 500*30 sATM ~

km³

log E


Erwartete GRB-Neutrinos pro Jahr in ANTARES

Fazit: • 0.5 pro Jahr in ANTARES aus GRB werden erwartet• JEDES gemessene in Korrelation mit GCN-Satellitendaten ist signifikant !!!

E [GeV] GRB Afterglow atmosph. eff. Untergr

102 – 103 1.51 10-4 12005 7.85 10-3

103 – 104 0.0064 1215 7.94 10-4

104 – 105 0.121 115 7.53 10-5

105 – 106 0.303 3.12 2.10 10-6

106 – 107 0.093 0.000063 0.0511 3.34 10-8

107 - 108 0.0135 0.000139 6.67 10-4 4.36 10-10

103 - 108 0.537 0.000202 1333 8.71 10-4


Ausblick auf die Implikationen

der Detektion hochenergetischer Neutrinos aus GRBs:

1. Test des Schockbeschleunigungsmechanismus2. Test der Hypothese, dass GRBs eine Quelle hochenergetischer

Protonen (>1016 eV) sind

3. unter Berücksichtigung der -Oszillationen (1:2:0) (1:1:1) wäre die Detektion eines ein „appearance experiment“

4. Test der Gleichzeitigkeit von und Ankunft (spezielle Relativitätsth.)5. Test des schwachen Äquivalenzprinzips (= und erfahren die

gleiche Zeitdilatation wenn sie durch ein Gravitationspotential laufen)

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