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