| Autor(en): |
Sebastian Böser |
Titel: |
Acoustic detection of ultra-high energy cascades in ice |
| Gutachter: |
Hermann Kolanoski; Allan Hallgren; David Z. Besson |
| Erscheinungsdatum: |
03.08.2007 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10080657)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Neutrino, Akustik, Kaskade, Südpol |
| Schlagwörter (eng): |
neutrino, acoustic, cascade, South Pole |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Böser, Sebastian:
Acoustic detection of ultra-high energy cascades in ice;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 03.08.2007, urn:nbn:de:kobv:11-10080657
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| Abstract (ger): |
| Existierende Neutrinoteleskope sind für den Nachweis von Neutrinos
aus astrophysikalischen Quellen mit Energien im TeV Bereich optimiert. Aufgrund
der geringen Flüsse und Wirkungsquerschnitte wurden bislang keine
extraterrestrischen hochenergetischen Neutrinos beobachtet. Erst die im Bau
befindlichen kubikkilometer-großen Cherenkov-Neutrinodetektoren werden das
notwendige Volumen haben, um diese nachzuweisen. Für Neutrinos aus
Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung im EeV-Bereich mit dem kosmischen
Mikrowellenhintergrund wird dennoch nicht mehr als ein Ereignis im Jahr
erwartet.
Nachweisvolumen in der Größenordnung von 100 km^3 sind notwendig, um den Fluß
dieser Neutrinos zu bestimmen und die vorhergesagten Wirkungsquerschnitte zu
überprüfen. Alternative Meßtechniken sind erforderlich, um einen Detektor dieses
Ausmaßes zu realisieren.
Eine vielversprechende Idee ist die Erfassung akustischer Wellen aus den in der
Neutrinowechselwirkung erzeugten hadronischen Kaskaden. Aufgrund der höheren
Signalstärke und der großen Schalldämpfungslängen ist die Eisdecke des Südpols
dem Wasser der Ozeane als Medium vorzuziehen. Zunächst sind jedoch geeignete
Sensoren, eine Überprüfung der thermo-akustischen Schallerzeugung und Kenntnisse
der akustischen Eigenschaften des Eises von Nöten. In einer theoretischen
Ableitung konnte die Äquivalenz der Mechanismen der Erzeugung akustischer Wellen
durch thermo-elastische Anregung in Flüßigkeiten und isotropen Festkörpern
gezeigt werden. Einer Analyse des existierenden Wissensstandes folgte die
Simulation eines kombinierten Cherenkov-Radiowellen-Ultraschall-Detektors. Für
den Einsatz im Eis wurden spezielle akustische Sensoren entwickelt und zur
Erfassung der Schallemission von intensiven Protonen- und Laserstrahlen
eingesetzt. Darauf aufbauend wurde ein akustische Sender- und Empfänger-Aufbau
entwickelt, mit dem Ziel, die Ultraschalleigenschaften des südpolaren Eises
in-situ zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser ersten Bemühungen werden in dieser
Arbeit vorgestellt.
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| Abstract (eng): |
| Current neutrino telescopes are designed to detect neutrinos with
energies in the TeV range. Due to the low fluxes and small cross sections, no
high energy neutrinos of extraterrestrial origin have been observed so far. Only
the Cherenkov neutrino detectors on the km^3 scale that are currently under
construction will have the necessary volume to observe these rare interactions.
Yet, for neutrinos from interactions of the ultra-high energy cosmic at EeV
energies rays with the ambient cosmic microwave background, event rates of only
one per year are expected.
To measure the flux and verify the predicted cross sections of these cosmogenic
neutrinos, an observed volume of around 100 km^3 will be
necessary, that will not be feasible with existing detection techniques.
Alternative methods are required to build a detector on these scales.
One promising idea is to record the acoustic waves generated in cascades
following the neutrino interaction. Higher amplitudes of the sonic signal
and the large absorption length of sound favour South Polar ice instead of sea
water as a medium. For an estimate of the potential of such a detector, suitable
acoustic sensors, a verification of the model of thermo-acoustic sound
generation and a determination of the acoustic properties of the ice are
necessary. In a theoretical derivation the mechanism of thermo-elastic
excitation of acoustic waves was shown to be equivalent for isotropic solids and
liquids. A detailed analysis of the existing knowledge and a simulation study of
a hybrid optical-radio-acoustic detector have been performed. Ultrasonic sensors
dedicated to in-ice application were developed and have been used to record
acoustic signals from intense proton and laser beams. Based on this, the
hitherto largest array of acoustic sensors and transmitters was devised and
implemented, with the aim to study the ultrasonic properties of the South Polar
ice in-situ. Results from all of these first efforts are presented.
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