Antares - ein Neutrinoexperiment im Mittelmeer Jürgen Brunner Was sind Neutrinos ? (*) Neutrinoastronomie – erste Schritte (*) Das Rätsel der kosmischen Strahlen (*) Wie funktionieren Neutrinoteleskope ? Aktuelle Projekte Æ Antares (*) Thanks for material from Ch. Spiering Was sind Neutrinos ? 1 Das Postulat des Neutrinos: Pauli, 1930 n Æ p + eScheinbare Verletzung der Energieerhaltung beim Betazerfall Wolfgang Pauli, 1930 Das Postulat des Neutrinos: Pauli, 1930 n Æ p + e- + ν Wolfgang Pauli, 1930 2 Das Postulat des Neutrinos: Pauli, 1930 n Æ p + e- + νe Wolfgang Pauli, 1930 1956: Die Entdeckung des Neutrinos Cowan und Reines Nobelpreis 1995 3 Neutrinostrahlen an Beschleunigern p+target Æ π + ….. Æμ+ν Nobelpreis 1988 4 Neutrinoastronomie Erste Schritte Besuch während des Baus von Superkamiokande 1996 5 Neutrinos in (Super)Kamiokande νe + e →ν e + e νe e- Neutrinos aus der Sonne Temperatur im Sonnenkern ~ 15 Mio K Photon-Weg bis zur Sonnenoberfläche: einige Millionen Jahre Neutrinos: 2 Sekunden 6 Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke 7 23.2.198 7 ~1 60 00 0 Li c htj ah re Neutrino-Signal von SN-1987A in Kamiokande SN 1987A Rauschen 8 Neutrinos von SN 1987A weltweit • 24 Neutrinos von 3 Experimenten detektiert • Weitest entfernte Neutrinos, die jemals nachgewiesen wurden 11+8+5=24 SN 1987A einige Jahre später .. für Öffnung des Neutrino-Fensters zum Universum Nobelpreis 2002 Raymond Davis jr. Masatoshi Koshiba 9 Erwartetes Energiespektrum derNeutrinos underground optical: - deep water - deep ice - air showers - radio - acoustics Elektromagnetische Wellen: Bilder des Universums Radio 3-Kelvin Strahlung RöntgenStrahlen γ- Strahlen Sichtbares Licht 10 Neutrino Himmelskarte ? m 1 0 -5 cm 1 0 -4 R a d io m m 1 0 -3 Satellite Rayon X (INTEGRAL, Europe) Télescope optique (Palomar, USA) Télescope radio (Bonn) Radio Telescope ( Bonn) Optical Telescope (Palomar) 1 0 -2 1 0 -1 µm 1 In fr a r o u g e 10 102 O p tiq u e nm 103 Å 104 Télescope gamma (CAT, France) Neutrino Telescope X - ray Satellite (INTEGRAL/ESA) 105 106 107 R ayons X 108 109 1 0 10 1 0 11 1 0 12 1 0 13 1 0 14 1 0 15 eV R ayons G am m a View ofRadio sky in GalacticLumière Coordinates in fourRayon different photonRayon wavelengths visible X gamma ? Radio du ciel (repère Visible light avec lumières X -enrays Neutrinos Visualisations galactique) quatre longueurs d’onde différentes Das Geheimnis der kosmischen Strahlung 11 Die Entdeckung der kosmischen Strahlung Nobelpreis 1936 ATP Primäres Teilchen ~ 20 km Höhe Stratosphärischer Ballon (40 km Höhe) Reaktion des Primärteilchens Hess‘ Ballon (bis 5 km Höhe) Teilchen-Detektoren 12 ATP ATP 13 ATP ATP 14 ATP ATP 15 ATP ATP Energie: LHC × 10 000 000 16 Spektrum der kosmischen Strahlen Nichtthermisches Spectrum Kann durch Stosswellenbeschleunigung erklärt werden Hypothesen fur Quellen existieren Direkter Nachweis bisher nicht gelungen Deutlich höhere Energien als am LHC konnen erreicht werden LHC Strahl LHC Schwerpunkt Stoßwellenbeschleunigung ? • Bei jedem Rückprall erhält der Ball etwas von der Bewegungsenergie der Wände • Ball Æ Elektronen, Protonen • Wand1: z.B. Explosionswolke einer Supernova • Wand2: umgebendes Material • Wände: Magnetfelder Tischtennisball Elastische Streuung Wand Wand 17 ATP Geladene kosmische Strahlung vs. Gamma-Strahlen und Neutrinos Geladene Teilchen γ,ν ν ATPExtrem hochenergetische geladene Teilchen fliegen fast geradeaus Geladene Teilchen bei 1017 eV 18 ATPExtrem hochenergetische geladene Teilchen fliegen fast geradeaus Geladene Teilchen bei 1020 eV ATP Supernovae: Stosswellen in interstellares Medium bis 1016 eV Supernova vom Jahr 1054 Krebs-Nebel 19 Aktive Galaxien: Akkretionsscheiben und Jets ATP bis 1020 eV Radiobild von Cygnus A Teilchenbeschleunigung in Jets Protonbeschleunigung: Protons (CR), Gammas Neutrinos Nur Neutrinos können zweifelsfrei Protonbeschleuniger nachweisen Electronbeschleunigung: Gammas + X-rays Ch. Spiering 20 Wie funktionieren Neutrinoteleskope ? Neutrino-Teleskop Neutrino-Astronomie bei hohen Energien ν Nur Neutrinos können die Erde durchqueren. Æ für klare Identifikation: Aktive Galaxie „Sieh“ nach unten ! (und benutze die Erde als Filter) 21 Myonen können in Wasser oder Eis kilometerweit fliegen … … und ziehen einen Lichtkegel hinter sich her, da sie mit Überlichtgeschwindigkeit fliegen Myon Neutrino-KernReaktion Detektor: Zeit und Position der Photonen des Lichtkegels wird mit hoher Präzision gemessen Rekonstruktion der Myonspur Neutrino Myon quasi kolinear mit Neutrinos „Atmosphärische“ Neutrinos kosmisches Proton e+ μ+ π+ νμ νe νμ m ≈ 15 k 22 Existierende Neutrinoteleskop-Projekte Antares Baikal IceCube Komplementarität Nord-Süd ANTARES (43° Nord) IceCube (Südpol) Eis Kein optisches Rauschen, steril, sensitiv auch auf niederenergetische Neutrinos Wasser Weniger Lichtstreuung Æ bessere Winkelauflösung Mkn 421 Mkn 501 SS433 not visible CRAB <25% exposure Mkn 501 RX J1713.7-39 SS433 GX339-4 Galactic Centre CRAB VELA Komplementärer Himmelsausschnitt, wenn nur Signale “von unten“ betrachtet werden 23 ANTARES • 1996-2002 Detektorentwicklung und Messung der Tiefseeparameter • 2002-2008 Konstruktion • 2006-2013… Datennahme ANTARES Kollaboration & Detektorstandort ANTARES Uferstation 23 Institutes from 7 European countries 40 km submarine cable -2475m 24 Der ANTARES Standort & Infrastruktur V. Bertin - CPPM - ARENA'08 @ Roma Uferstation Site 15 km from shore IFREMER Toulon Submarine 40 kmcable FOSELEV Schiffswerft Der ANTARES Detektor 2500m • • • • 900 PMTs 12 Linien 25 Etagen / Linie 3 PMTs / Etage 40 km zum Ufer 450 m Verteiler Box 70 m Verbindungskabel 25 Die Antares-Etage Titaniumrahmen Optische Leuchtfeuer mit blauen LEDs: Zeiteichung Optisches Modul: 10” Hamamatsu PMT in 17” Glaskugel (σTTS ≈ 1.3 ns) Photonennachweis Lokales Kontrollmodul (im Ti Zylinder): Digitalisierung der PMT signale Integrierter Computer (IP Adresse, telnet) Hydrophon:51 akustische Positionierung Konstruktion von ANTARES La Seyne-sur-Mer 40 km Oct. ’01: MEO Cable May ’08: Lines 11 & 12 Dec. ’02: Junction Box Dec ’07: Lines 6-10 Instrumentation line Jan. ’07: Lines 3, 4 & 5 Mar. ’06: Line 1 Sept. ’06: Line 2 26 2001: Verlegung des Tiefseekabels 2002: Wasserung der Verteilerbox 27 Line 1 Erste komplette Detektorlinie (2006) Installation einer Detektorlinie mit der CASTOR 28 Verbindung der ersten Detektorlinie mit ferngesteuertem U-Boot von IFREMER Verbindung am Linienfuß ROV VICTOR 29 Verteilerbox heute 12 + 1 Linie erfolgreich verkabelt Photo vom U-Boot Mai 2008 Akustisches Positionierungssystem 25 Laufzeit der akustischen Signale (pings) zwischen festen Sendern am Seeboden und Empfängern auf den Linien erlauben Triangulation und Bestimmung der Positionen 20 Position der Empfänger (Hydrophone) relativ zum Linienfuß Empfänger 14 8 1 Sender 30 Implosion eines Photomultipliers • Etwa ~10 Fälle identifiziert • Wassereinbruch am Kabeleintritt verantwortlich • Implosion einer Druckglaskugel nie vorgekommen Erstes Neutrino März 2007 31 Erwartete Muonraten im Detektor Atmosphärische Neutrinos Atmosphärische Muonen in 2000m Tiefe Nach oben Nach unten horizontal 2008: Neutrinoernte 174 aktive Tage 599 Kandidaten 32 Kosmische Neutrinos ? • Bisher nichts gefunden • Himmelskarte kompatibel mit gleichmäßig verteilten atmosphärischen Neutrinos • Neutrinoflussgrenzwerte für ausgesuchte Quellen 5-Linien Himmelskarte 94 hochenergetische Neutrinokandidaten Deklination Erwartete Himmelskarte für 2007+2008 750 Neutrinokandidaten Analyse noch nicht beendet 33 Akustischer Neutrinonachweis neutrino Hydrophondetector V. Bertin - CPPM - ARENA'08 @ Roma Teilchenschauer Akustische Schockwelle Winkelverteilung von Tiefseegeräuschen V. Bertin - CPPM - ARENA'08 @ Roma • Richtungsbestimmung von einer einzelnen Etage • Alle Signalarten benutzt • Ein Monat Daten Dominante Quellen: Fährlinien nach Korsika Antares Positionierungssystem Kay Graf (ECAP) – VLVnT 09, Athens – October 2009 68 34 Optisches Rauschen der Photomultiplier Beiträge von Radioaktivität (40K) und Biolumineszenz Biolumineszente Tiefseeorganismen “10. Juni 2004 What will Antares find ? Neutrinos or fish ? Sheldon Glashow” 35 Installation von 2 Kameras + Infrarotquellen Selbstauslöser im Falle eines Biolumineszenzblitzes Infrarotquelle wird angeschaltet nach Selbstauslöser, PMT ebenfalls ausgelesen Installation 2007 Etage 1 Etage 5 Kamera Seeströmungsmesser Kamera PMT PMT 36 Kontinuierliche Datennahme • Mehr als 500 Tage aktive Beobachtungszeit • ~250 Bioluminescenz Photos/Filme aufgezeichnet • Verschiedene Signaltypen leicht zu unterscheiden • Noch keine systematische Auswertung durch Meeresbiologen erfolgt • Tiefste online-Kameras der Welt ! Antwort an Sheldon Glashow Antares findet Neutrinos UND Fische …. aber mehr Neutrinos ANTARES NIMMT DATEN 37
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