IceCube neutrino’s vangen uit de ruimte Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel, IIHE(ULB-VUB) URANIA, 4 december 2007
IceCube een detector op Antarctica
IceCube 2006
Antarctica het laatste continent Amundsen 1911
2006
©Duncan Chessell www.dcxp.com
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.
Amundsen Scott South Pole Station Het eeuwige ijs
Amundsen Scott South Pole Station
Amundsen Scott South Pole Station Dome: oud station zomerkamp
Nieuw station Basis voor overwinteraars
Amundsen Scott South Pole Station
Amundsen Scott South Pole Station IceCube observatorium Op 2000m diepte
1km
De IceCube detector Bevindt zich 2km onder het ijsoppervlak Heeft een volume van 1km¥1km¥1km Zoekt naar neutrino’s uit de ruimte
Prinses Elisabethbasis
Zomer November-februari 200 personen: 50 wetenschappers + 150 arbeiders 2/3 mannen, 1/3 vrouwen 2 douches per week -40°C
winter Februari-november
50 overwinteraars station onbereikbaar -70°C
IceCube
Belgische deelname
••University Universityof ofOxford Oxford
••Uppsala UppsalaUniversity University ••Stockholm StockholmUniversity University ••RWTH RWTHAachen Aachen
University UniversityUtrecht Utrecht
••Bartol BartolResearch ResearchInst., Inst.,Delaware Delaware ••Anchorage AnchorageUniversity University ••Pennsylvania PennsylvaniaState StateUniversity University ••UC UCBerkeley Berkeley ••UC UCIrvine Irvine ••Clark-Atlanta Clark-AtlantaUniversity University ••Univ. Univ.of ofMaryland Maryland ••University Universityof ofWisconsin-Madison Wisconsin-Madison ••University Universityof ofWisconsin-RiverFalls Wisconsin-RiverFalls ••LBNL, LBNL,Berkeley Berkeley ••University Universityof ofKansas Kansas ••Southern SouthernUniv., Univ.,Baton BatonRouge Rouge
••Humboldt HumboldtUniv., Univ.,Berlin Berlin ••Universität UniversitätDortmund Dortmund ••MPIK MPIKHeidelberg Heidelberg ••Universität UniversitätMainz Mainz ••Universität UniversitätWuppertal Wuppertal ••DESY, DESY,Zeuthen Zeuthen
Chiba Chiba University University
••Universite UniversiteLibre Librede deBruxelles Bruxelles ••Vrije VrijeUniversiteit UniversiteitBrussel Brussel ••Université Universitéde deMons-Hainaut Mons-Hainaut ••Universiteit UniversiteitGent Gent Univ. Univ.of ofCanterbury, Canterbury,Christchurch Christchurch
IceCube Collaboration ~250 wetenschappers – 25 universiteiten
Dirk RYCKBOSCH Universiteit Gent
Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel Daniel Bertrand Université Libre de Bruxelles
Philippe Herquet Université de Mons-Hainaut
Belgische groepen in IceCube ~20 wetenschappers
IIHE(ULB-VUB)
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
IceCube
doelstellingen
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?
IceCube Een nieuw venster op het heelal astronomie zonder licht
?
Waarom neutrino’s? Krabnevel 6500 lichtjaren van hier Gezien in China in 1054
radiogolven
licht
Neutrino’s?
ultraviolet
X-stralen
Astronomie wordt bedreven in verschillende golflengtes: zichtbaar licht, radiogolven, X-stralen, γ stralen, geladen deeltjes, neutrino’s
Kosmische straling • Deeltjes uit de ruimte bombarderen voortdurend de aarde • Geladen deeltjes ioniseren de atmosfeer – rond de polen veroorzaakt dat poollicht, aurora
Flux(m2 sr s GeV)-1
kosmische straling Lage energie deeltjes afkomstig uit melkweg 1 deeltje / m2,s
Tussen 1015 en 1018 eV : deeltjes afkomstig uit Melkweg – verliezen bij hoge energie
LHC versneller in CERN
Boven 1018 eV : deeltjes afkomstig van buiten Melkweg Energie (eV)
IceCube
Waar zitten de objecten die kosmische deeltjes hoge energieën kunnen geven?
Centra van actieve melkwegstelsels? Supernova explosies? ….
In het centrum van een actief melkwegstelsels regio met hoge dichtheid en zeer sterke gravitatiekrachten
Supermassief Zwart gat accretieschijf jet
deeltjesversneller
je t
. . , ν γ,
Geladen deeltjes worden in jets versneld in schokgolven Interactie straling (fotonen) met elektronen en protonen
e +γ →γ ' p + γ → π ,π ,... +
0
π →γ +γ 0
accretieschijf
π → e +ν e +ν µ +ν µ +
+
Actief melkwegstelsel
SuperNova SN1987A geboorte neutrino astronomie • 23 februari 1987 : Supernova explosie in Grote Magellaanse Wolk - 170.000 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 !!
SN1987A
Neutrino energiespectrum
Nobelprijs Fysica 2002 Voor de detectie van kosmische neutrino‘s
Raymond Davis jr. neutrino‘s van de Zon
Masatoshi Koshiba SN1987A Kamiokande
Observatie van het heelal meerdere soorten straling/deeltjes geven complementaire informatie
p
ν
µp
nγ
Neutrino astronomie
Neutrino’s
Astronomische bron
• Lading = 0 - Worden niet afgebogen in magnetische velden • Worden niet ge-absorbeerd door materie en straling
p γ ν
• Hebben slechts zwakke wisselwerkingen met materie en straling ν
IceCube
• Bereiken bijna ongehinderd de aarde • Reizen dwars door de aarde heen • Wijzen recht van detector naar bron
Radioactief verval en het postulaat van neutrino‘s
nÆp+ ! Wolfgang Pauli, 1930
e
energiebalans
Radioactief verval en het postulaat van neutrino‘s
nÆp+
Wolfgang Pauli, 1930
e
+n
Radioactief verval en het postulaat van neutrino‘s
nÆp+
Wolfgang Pauli, 1930
e
+ne
“I have done a terrible thing, I have invented a particle that cannot be detected.” W. Pauli
1956: De ontdekking van neutrino‘s Cowan und Reines
Nobelprijs fysica 1995
1989: LEP versneller in CERN Er zijn 3 soorten neutrino’s
νe + N → e + X −
νµ + N → µ + X −
ντ + N → τ + X −
Interacties van neutrino’s met materie → detectie
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
PAUZE
IceCube het instrument
Neutrino detectie
µ
µ
ν
ν
•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
muon
lightkegel Detector
•Het muon straalt blauw licht uit op zijn baan •Optische sensoren registreren dit licht
interactie
neutrino
Cherenkov licht
Copyright © 2001 Purdue University
In de 3000m dikke ijslaag Zuidpool station 2500m lange kabels
60 sensoren per kabel IceCube lichtsensoren
continent
µ ν
•Muonspoor •Kernreactie •neutrino
Muonspoor 1km
E = 1013 eV LHC energie
• spoor van Cherenkov licht • Rooster optische sensoren maakt opname van lichtpatroon
E = 1015 eV 100 x LHC
4800 Optische Modules: elke sensor registreert een deel van het licht
Fotonvermenigvuldiger Naar beneden gericht
Optische Modules Signaal naar oppervlakte
drukvat
Signaal digitisatie
e-
foton
fotomultiplicator
Assemblering modules Europa
Assemblering modules Madison, VSA
Zuidpool
Schachten boren
• 2450m diep en 60cm diameter Boorkop spuwt • Warm-water-boor 80°C heet water (80°C) in schacht
• Boren van een schacht in 24uur • 18 schachten per seizoen (november-februari)
Waterslang 2,5 km lang 20cm diameter
sensoren installeren 60 optische modules per kabel dalen neer in 20 uur Elke module wordt vooraf getest aan de oppervlakte
Gegevens •70.000 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
Toestand november 2007: 22 kabels November 07: 22 strings deployed
Completion by 2011 2007-2008: add 14 to 18 strings
2006-2007 13 strings deployed
IceTop 2005-2006 8 strings deployed 1450m
IceCube 80 strings of 60 Optical modules each
2004-2005 1 string
AMANDA-II 19 strings 677 modules 2450m
Kostprijs IceCube detector 250M$ • • • • •
Onderdelen optische modules, kabels ~100M$ elektronica, computers, software 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
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
IceCube en AMANDA waarnemingen
De AMANDA detector
1450m
2450m
AMANDA-II 19 kabels – 200mx500m 677 optische modules Neemt gegevens sedert 2000
AMANDA neutrino hemelkaart • Noordelijke hemel gezien door neutrino detector AMANDA • 4282 neutrino’s waargenomen AMANDA II 2000-2004
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 75o
AMANDA II 2000-2004
60o
33 45o
2 2
11
Grootste fluctuatie: 3.7s
30o 00 -1-1 15o -2-2
24h
0h
-3-2
Zijn er concentraties van neutrino’s in een bepaalde richting? Neen! • 4282 neutrino’s waargenomen • Na statistische analyse, en volgens de huidige theoretische kennis zijn ze hoogst waarschijnlijk allemaal geproduceerd in de atmosfeer 75o
AMANDA II 2000-2004
60o
33 45o
2 2
11 o
30 Grootste fluctuatie: 3.7 s Kan statistisch verklaard worden door lokale fluctuatie 15 van atmosferische neutrino flux
00 -1-1
o
-2-2 24h
0h
-3-2
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
Neutrino observatoria in het Noordelijk halfrond
Hoge energie neutrino detectoren in de wereld Antares Nestor, Nemo
Baikal
Km3: KM3NeT
Amanda Km3: IceCube
ANTARES nabij Toulon • • • • •
onderwater detector Zelfde principe als IceCube Grootte van AMANDA Afgewerkt begin 2008 KM3Net – kubieke km rooster
Dank u voor uw aandacht Meer informatie: icecube.wisc.edu w3.iihe.ac.be
