Development and Measurement of an in-situ UV Calibration Device to Measure the Properties of Ultraviolet Light in the South Pole Ice

Abstract

Unter dem geografischen Südpol liegt das IceCube Neutrino Observatorium. Es nutzt einen Kubikkilometer Gletschereis, um Sekundärteilchen aus Neutrinointerkationen zu detektieren. Der Detektor besteht aus insgesamt 5160 optischen Sensoren, die das Cherenkov Licht der relativistischen, geladenen Teilchen messen. Um die Sensitivität und das Detektionsvermögen zu erhöhen sind Vergrößerungen des Detektors mit neuentwickelten optischen Sensoren geplant. Mindestens einer dieser neuen Sensoren soll den Messbereich aus dem optischen Bereich in den UV Bereich erweitern, wobei eine neu entwickelte wellenlängenschiebende Technologie verwendet wird. Um die Verbesserungen dieser neuen Module zu verstehen, wurde ein Kalibrierungsgerät gebaut, getestet und zweimal bei einer in-situ Messung am geografischen Südpol verwendet. Die Messung wurde in dem offenen SPICEcore borehole durchgeführt. In dem Kalibrierungsgerät waren sowohl Lichtquelle, als auch Detektor verbaut. Um die Eiseigenschaften zu vermessen, wurde Licht in möglichst kurzen Pulsen in das Eis gestrahlt. Der Detektor hat nun die Zeitverteilung gemessen, mit der die Photonen wieder zu dem Detektor zurückgestreut werden. Zur Detektion nutzt das Kalibrierungsgerät die gleiche wellenlängenschiebende Technologie, wie die neuentwickelten optischen Module. Die Messung wurde für Wellenlängen zwischen 245 nm und 400 nm an mehreren Tiefen in einem Bereich, in dem auch IceCube liegt durchgeführt. Diese in-situ Messungen sind der erste erfolgreiche Einsatz der neuen wellenlängenschiebenden Technologie. Mit einem likelihood fit wurde die Messung mit einer Simulation verglichen, welche die Absorption und Streuung der Photonen im Eis als Parameter variiert. Mit dieser Analyse konnte für jede Wellenlänge und Tiefe am besten passende Parameter mit Unsicherheiten, bestehend aus statistischen und systematischen Fehlern gefunden werden. Der größte Einfluss auf die Unsicherheiten ist die schlechte Zeitauflösung des Detektors. Die Ergebnisse legen eine hohe Transparenz im tiefen UV-Bereich nahe und erlauben einen tieferen Einblick in die Streuprozesse im antarktischen Eis.

The IceCube Neutrino Observatory lies under the South Pole. It instruments one cubic kilometer of glacial ice to detect secondary particles originating from neutrino interactions. The detector consists of 5160 optical sensors, which measure the Cherenkov light of these relativistic, charged particles. In order to increase the sensitivity and detection range, new extensions with newly developed optical sensors are planned. At least one of these new sensors is supposed to expand the detection range from the optical into the UV range, using a new wavelength shifting technology. To understand the improvements of these new modules, the UV calibration device was built, tested, and deployed twice in in-situ measurements at the geographic South Pole. The measurement was carried out in the open SPICEcore borehole. A light source and a detector were included in the design of the UV calibration device. To measure the ice properties, the light was pulsed in the ice as short as possible. The detector measured the timing distribution of the light getting scattered back. For the detection, the wavelength shifting technology developed for the new optical sensors is used. The measurement was carried out with four wavelengths between 245 nm and 400 nm at several depths, some within the IceCube range. These in-situ measurements successfully applied the new wavelength shifting technology for the first time. Using a likelihood fit, the measurements were compared to a simulation, which varied the absorption and scattering coefficients of the photons in the ice as parameters. With this analysis, a best-fitting set of parameters could be found for each wavelength and depth. The uncertainties are very conservative, consisting of statistical and systematic errors. The most significant influence on the uncertainties is caused by the insufficient time resolution of the detection system. The results suggest a high transparency for the deep UV range and provide a deeper insight into the scattering processes of Antarctic ice.