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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 1 IceCube - Astrophysik mit kosmischen Neutrinos am Südpol Hermann Hermann Kolanoski Kolanoski Humboldt Humboldt - - Universit Universit ä ä t t zu zu Berlin Berlin

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 1

IceCube - Astrophysik mit kosmischen Neutrinos

am Südpol

Hermann Hermann KolanoskiKolanoskiHumboldtHumboldt--UniversitUniversitäätt zuzu BerlinBerlin

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kosmische Neutrinos, die wir kennen:Sonne im Neutrinolicht

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 3

Supernova-Neutrinos

7 Jahre später (Hubble)

Supernova-Alarm auch aus dem Südpoleis

LichtkurveNeutrinos E - t

Supernova SN1987A

kosmische Neutrinos, die wir kennen:

(siehe später)

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 4

Defizit

abwärtsaufwärts

… kosmische Neutrinos, die wir kennen:

Atmosphärische Neutrinos

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Geladene kosmischen Strahlung

PeV ZeVEeV

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 6

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Hillas-DiagrammFragen:

• Wo werden die hohenEnergien erzeugt?

• Wo herrschen die dafürnotwendigen Bedingungen: B·L

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Kosmische Beschleuniger

GRB

Schwarzes LochSupernovarest

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Aktive Galaktische Kerne

The first image is a Hubble Heritage image of M87, whilethe second one is a schematic diagram of an AGN

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/ TeVRadio optical X-ray GeV TeV

IR UV MeV

The electromagneticspectrum of the TeV Gamma-

sources known until now

Synchr. Inv.Compt.

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 11

Warum Neutrinos?

High energy protons 50 Mpc

neutrinos

Astrophysicalsource

Low energy protons deflected

High energy gammas 10 Mpc

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 12

Nachweis hochenergetischer Neutrinos

νN-Wirkungsquerschnitte

Erde als Filter: Methode für νμ und geeignet

νμ (ντ) → μ + X

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AMANDA-IIConstruction: 1995Construction: 1995--2000 2000 -- 19 strings, 677 OMs19 strings, 677 OMs

Prototyp von IceCube (V= 1 km3)V ~ 0.015 km3

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νμ + N → μ + X ⇒ high energy μ above C-threshold in ice

AMANDA / IceCube

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AMANDA-Physik• Atmospheric neutrinos• Point source searches• Gamma-ray bursts• Dark Matter, WIMPs• Galactic plane • Diffuse extra-terrestrial search• Supernovae• Monopoles• Cosmic ray composition• Searches for new physics

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 16

E2Φνμ(E) < 2.6·10–7 GeV cm-2 s-1 sr-1

Includes 33% systematic uncertainty

Limit on diffuse E-2 νμ flux (100-300 TeV):

Atmospheric neutrinos

Measurement extracted Measurement extracted with a with a regularisedregularised

unfolding techniqueunfolding technique

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 17

AMANDA skyplot 2000-2003

3329 events

1ES 1959+650, an Active Galactic Nucleus already known as a potential hadron accelerator: neutrinos are likely to be emitted

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 18

Year2000 2001 2002 2003

May June July

Flux ofTeV photons(arb. units)

0

1

2

3

νν

Gamma-rays detected by a TeV gamma telescope

Arrival time of the neutrinosfrom the direction ofES1959+650 detected byAMANDA

Did we see already

the first signal ?

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 19

alle 50 Jahre?

SNEWS – SuperNova Early Warning System Reaktionen von MeV-Neutrinos aus einem Supernova-Burstin unserer Galaxis würden die Rauschraten aller Photomultiplier für 5 -10 Sekunden um einige Hertz nach oben treiben.

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Dunkle Materie

sun

earth

detector

νscatt

capture

annihilation

χ interactions

μχχ υHZ

llqq

→→⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛→

±

. . .,,W

0

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 21

Dunkle Materie

Excluded by CDMS

Methode beschrieben in: D. Hubert et al.,ICRC 2005, Pune, astro-ph/0509330Ref. CDMS:

D.S. Akerib et al., Phys. Rev. Lett., 93, 211301 (2004)

ERDE: Sonne:

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RelativisticMagneticMonopoles

10-16

10-15

10-14

10-18

10-17

β = v/c1.000.750.50

uppe

rlim

it(c

m-2

s-1

sr-1

)

Cherenkov-Light ∝n2·(g/e)2

n = 1.33

(g/e) = 137/ 2

≈ 8300

KGF

Soudan

MACRO

Orito

Baikal

Amanda

IceCube

δ electrons

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Cascades inside detectorSensitive to all 3 flavorsSensitive to all 3 flavors

CC electron and tau neutrino interaction: ν(e,τ,) + N → (e, τ) + X

NC neutrino interaction: νx + N → νx + X

Color displays: LE Primary Channels

2370 132501 232631 402762 382893 343023 283154 213285 193415 113546 93677 63807 93938 44069 54199 24330 2

Size displays: ADC Size scaling: Lin

<4 <9 <13 <17 <22 <26 <31 <35

<40 <44 <49 <53 <58 <62 <67 <71

No external geometry file is opened.Detector: amanda-b-10, 19 strings, 680 modulesData file: he_deff.f2kDisplaying data event 1425281 from run 336Recorded yr/dy: 2000/170 59857.5405130 seconds past midnight.Before cuts: 264 hits, 264 OMsAfter cuts : 264 hits, 264 OMs

E2 Φall−ν < 0.6 ⋅10-6 GeV-1 cm-2 s-1 sr-1

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Experimental all-flavor limits

1: Amanda-B10, muons 3: Baikal all flavor 5: Amanda cascades2: Amanda-II, muons 4: Amanda all flavor UHE Expected: 6: Amanda-II, 4 years 7: IceCube 3 years

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Cascade event

Energy = 375 TeV

νe + N --> e- + X

•The length of the actual cascade, ≈ 10 m, is small compared to the spacing of sensors•==> ≈ roughly spherical density distribution of light•1 PeV ≈ 500 m diameter•Local energy deposition = good energy resolution of neutrino energy

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• 80 Strings

• 4800 PMTs

• Instrumented Volume: 1 km3

• Installation: 2005-2011

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 27

• 80 Strings

• 4800 PMTs

• Instrumented Volume: 1 km3

• Installation:2005-2011

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6 Amanda modules

Super-Kamiokande(Japan)

AMANDA-II

IceCube

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Von AMANDA zu IceCube

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The IceCube Collaboration

IceCube and AMANDA collaborations merged, March 2005

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Cherenkov tank arrays: IceTop• Southpole, Antarctica• 1 km²• 80 Stations x 2 x 3.14 m²

= 503 m²• E > 0.3 PeV• slightly larger than K-

GRANDE

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IceCube: DOM

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10” PMTHamatsu-70

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Track Reconstruction in Low Noise Environment

AMANDAIceCube

IceTop

1200 m• Typical event: 30 - 100 PMT fired• Track length: 0.5 - 1.5 km• Flight time: ≈4 µsecs• Accidental noise pulses:

10 p.e. / 5000 PMT / 4 µsec

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Season 2005-06

• Highly successful season!• First string deployed December 25th

• Eighth string deployed January 29th (9 total)

• Dust logger and standard candle• 12 IceTop stations deployed (16 total)• First events already reconstructed

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Hose reel Drill tower

IceTop tanksHot water generatorThermal power: 5MW

A view from last season

Working time: Nov. - mid-Feb

Plan: deploy 14 strings/season

Completion: 2011

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Hot Water Drilling

IceCube EHWD significant operation – entire drill camp setup, including generators, heater plants, fuel systems, and support workshops. This camp doesn’t move during the season.

2 drill towers connect to central plants and leapfrog over holes.

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 39

Deployment

99% of 604 DOMs survive deployment and freeze-in

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Ice Top

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Dust logger

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Diffusion/Absorption

Diffusion Absorption

Absorptionslänge : ~110 mDiffusionslänge: ~20 m (λ = 400 nm)

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 43

The first muon – IceTop shower coincident event

January 23First runs with the four IceTop stations (8 tanks) taken

January 29 1:31 First IceCube string deployed

February 9First shower/muoncoincidence events found

6

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 44

Upgoing neutrino-induced muon in IC-1, number 1

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 45

Upgoing neutrino-induced muon in IC-1, number 2

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 46

Airshower event in IceTop

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 47

ν

μ

Amanda

Baikal

Super-K

AntaresNestor

Km3: IceCube

Km3: Nemo

Neutrino Telescopes in Water and Ice

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 48-90 0-45 9045

10-15

10-14

μ ⋅ cm-2 s-1

SS-433

Mk-501 ν/γ ~ 1

10-17

10-16

2001

2007

2003

2012

Achieved andexpected sensitivitiesto steady point sources

GX339-4

Super-K,MACRO

AntaresBaikal, Nestor

IceCubeKM3 in Mediterr.

AMANDA

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 49

nsec

attenuation length in ice 1-4 km !!10 cm

5-10 m

P

t

50 μs

Above 10-100 PeV:

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 50

RICE Radio Ice Cherenkov Experiment

Firn ice (down to 120 m depth)

UHE NEUTRINO→ → → →

DIRECTION

300 METER DEPTH

E 2 · dN/dE< 10-4 GeV · cm-2 · s-1 · sr-1

20 transmitter + receiver

at 100 PeV

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6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 51

Sehen und Hören: Nutze alle Sinne Teilchen hören ?!!

Thermoakustisches Modell:Ultrahochenergetische Kaskade

Lokale ErwärmungExpansion

Schallwelle

AkkustischeSensoren

180 MeV Protonen TSL, Uppsala

Akustische Sensoren für den IceCube Detektor

Page 52: IceCube - Astrophysik mit kosmischen Neutrinos am Südpolkolanosk/talks/dresden06.pdf · 6.Juli 2006 H.Kolanoski - Seminar TU Dresden 16 E2Φ νμ (E) < 2.6·10 –7 GeV cm-2 s-1

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