IceCube

IceCube Spookdeeltjes vangen uit de ruimte Catherine De Clercq Vrije Universiteit Brussel PLURA, 13 november 2007

IceCube een detector op Antarctica

Antarctica het laatste continent

Antarctica Antarctica : het koudste en droogste continent op aarde. Binnenland : lange en koude winter (9 maand) ; gemiddeld -40 tot -60°C . Korte zomer (3 maand) : gemiddeld niet warmer dan - 20°C. Zuidpool: gemiddelde neerslag is 1L/m2. (Saudi Arabië 37L/m2, België 800L/m2) Veel wind - altijd uit dezelfde richting. Binnenland : wind niet bijzonder sterk Langs de kust waait het hard – 70km/u, 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

doelstellingen

Missie van IceCube • Onderzoek van de oorsprong van kosmische straling met extreem hoge energie ~ miljoen x LHC versneller in CERN • Waar in de ruimte zitten kosmische versnellers die deeltjes versnellen tot zeer hoge energie? – Centra van actieve melkwegstelsels? – Supernova explosies? – ….

• Waaruit bestaat de donkere materie in het heelal? • Nieuw venster op het heelal – verrassingen?

Een nieuw venster op het heelal astronomie zonder licht

De instrumenten voor observatie van het heelal • Telescoop – opname van zichtbaar licht

• Radiotelescoop – opname van radiogolven

• X-stralen telescoop – opname van X-stralen

• Neutrino telescoop – opname van neutrino stralen

Verschillende kosmische boodschappers 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, neutrino’s

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

Ontdekt door Victor Hess in 1912 Nobelprijs Fysica 1936

Kosmische straling werd voor het eerst gemeten door Oostenrijker Victor Hess in ballonvaart op 6000m hoogte

Simulatie van interacties van kosmische straling in de atmosfeer α

p n

Waar in de ruimte zitten de objecten die kosmische deeltjes extreem hoge energieën kunnen geven? Centra van actieve melkwegstelsels? Supernova explosies? ….

Melkwegstelsels

actieve melkwegstelsels regio met hoge dichtheid en zeer sterke gravitatiekrachten

Supermassief Zwart gat accretieschijf jet

Actief melkwegstelsel

SuperNova SN1987A geboorte neutrino astronomie • 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 het openen van het neutrinovenster op het heelal

Raymond Davis jr. neutrino‘s van de Zon

Masatoshi Koshiba SN1987A

Riccardo Giacconi kosmische X-straalbronnen

Kosmische straling en deeltjes • Einstein(1905): het foton g is het quantum van de elektromagnetische straling (licht, radiogolven, Xstralen, gamma-stralen) – foto-elektrisch effect • Astronomische objecten zenden ook geladen deeltjes (o.a. protonen) en neutrino’s n uit proton

γ,ν ν

Observatie van het heelal meerdere soorten straling/deeltjes geven complementaire informatie

p

ν

µp

nγ

Oerknal, astronomie en deeltjesfysica

De Oerknal en de evolutie van het universum • Waarnemingen op macro schaal – Astronomie – observatoria nemen straling waar die aanwezig was net na de Oerknal

• Waarnemingen op micro schaal – Botsingsexperimenten bij deeltjesversnellers produceren materie die bestond net na de Oerknal

• Beide domeinen zijn complementair in het begrijpen van de Oerknal en de evolutie van het Universum en de structuur van de materie

De Oerknal

Geschiedenis van het Universum

10-34 sec – 1027 graden – enkele meter De Oerknal W,Z bosonen

quark

lepton

foton

Vrije quarks

10-4 sec – 1013 graden De Oerknal Q+Q+Q= proton

Q+Q+Q = neutron

Quarks groeperen tot proton en neutron

Enkele minuten – miljard graden De Oerknal Protonen + neutronen = atoomkern

elektron

Protonen en neutronen vormen atoomkernen

300.000 jaar – duizend graden De Oerknal Proton neutron

elektron

atoom

foton

Vorming atomen

13,7 miljard jaar – min 270 graden (3°K) De Oerknal DNA molecule

melkwegstelsel

mens

Het heelal vandaag

Onderzoek van de evolutie van het Universum Een reis terug in de tijd Hoe zien die quarks er uit???

Oerknal Quarks elektron

Proton & neutron atoomkern atoom Mens, planeet, ster

Oeroude straling bereikt nu onze observatoria Bij versnellers produceert men materie die bestond 10-4 sec na Oerknal

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

Neutrino astronomie

Neutrino’s als astronomische boodschappers

Astronomische bron

• Worden niet afgebogen in magnetische velden (↔ protonen) • Worden niet ge-absorbeerd door materie en straling (↔ fotonen) • Hebben slechts zwakke wisselwerkingen met materie en straling

p γ ν

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

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

IceCube het instrument

Neutrino detectie

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

IceCube lichtsensoren

continent

•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

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

IceCube Controlekamer

•70.000 Gbyte per jaar aan gegevens •Een deel (30 Gb/dag) wordt dagelijks per sateliet naar de VS doorgestuurd •Volledige bestand naar VS op magneetband in november •Data center in University of Wi i i M di

Toestand november 2007

IceCube

2006-2007: 13 strings deployed

IceTop

Current configuration - 22 strings - 52 surface tanks 2005-2006: 8 strings

1450m

2004-2005 : 1 string

IceCube AMANDA-II

80 strings of 60

19 strings

optical modules each

677 modules

2450m

2007/08: add 14 to 18 strings and tank stations

Completion by 2011.

Kostprijs IceCube detector 250M$ • • • • •

Onderdelen optische modules, kabels 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 waarnemingen

AMANDA neutrino hemelkaart • Noordelijke hemel gezien door neutrino detector AMANDA • 4282 neutrino’s waargenomen 75o

AMANDA II 2000-2004

60o

33 45o

2 2

11 30o 00 -1-1 15o -2-2 24h

0h

-3-2

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

Tot slot

Tot slot • De Icecube neutrino detector op de Zuidpool is vanaf 2008 de grootste neutrino detector ter wereld – zal volledig af zijn in 2011 • Het doel is hoge energie neutrino’s te ontdekken komende uit de ruimte • AMANDA produceerde de eerste neutrinokaart van de noordelijke hemel • De gegevens van AMANDA geven nog geen uitsluitsel over het bestaan van sterke bronnen van hoge energie neutrino’s • In de komende 5 jaren verwachten we verrassende ontdekkingen!

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