Figuur 1. Schets van de Antares telescoop. Aan de lijnen zijn de detectoren bevestigd in groepen van drie, naar beneden gerichte 'ogen'. De Antares telescoop bestaat uit in totaal 900 van deze fotomultiplier buizen.

Promotiebericht, Nikhef, 25-02-2008

Allereerste data Antares telescoop leiden tot beter zicht op heelal en promotie

Sterren kijken is niets nieuws. Nieuw is wel dat promovendus Ronald Bruijn niet naar het uitgezonden licht, de fotonen keek, maar naar hoog-energetische neutrino's. De spiksplinternieuwe Antares telescoop, die in de Middellandse Zee afgebouwd wordt, is de detector waarvan Bruijn de allereerste data gebruikte om muonen, afkomstig van kosmische neutrino's te bestuderen. Bruijn ontwikkelde de methode om de sporen te reconstrueren, tijdens zijn onderzoek aan het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef. Hij promoveert woensdag 19 maart aan de Universiteit van Amsterdam op zijn onderzoek.

Figuur 2. Een event-display van een opwaarts bewegend muon (mogelijk afkomstig van een kosmisch neutrino), gemeten met de eerste lijn van de Antares detector. Langs de verticale as staat de positie langs de lijn in meters. De waarde 0 is het midden van de lijn. Langs de horizontale as staat de tijd in nanoseconden. De waarde 0 is de tijd waarop het het vroegste foton is geregistreerd van een cluster van fotonen dat het event veroorzaakte. Elk punt geeft een positie en tijd weer waarop een foton is geregistreerd. De zwarte gevulde cirkels geven de fotonen aan die voor de trigger zorgde. De rode vierkantjes geven de fotonen weer die gebruikt zijn om het muon spoor te bepalen. De aankomsttijden en posities zoals voorspeld uit het gereconstrueerde muon spoor zijn aangegeven door de doorgetrokken lijn.

Bruijn werkte aan een nieuwe methode om de richting te achterhalen waarmee muonen afkomstig van de neutrino-reacties door de detector bewegen. Met deze methode zijn de allereerste sporen van muonen gereconstrueerd, gemeten met de Antares detector. Deze 'muon spoor reconstructie' verschaft informatie over de richting waarin het oorspronkelijke neutrino zich voortbewoog. De reconstructie is essentieel voor het bedrijven van neutrino astronomie, omdat je dan kunt herleiden van welk kosmische object of proces de neutrino's afkomstig zijn. Onder de mogelijke kandidaten zijn actieve melkwegkernen, gamma-ray bursts, overblijfselen van supernovae, microquasars etc.

Omdat andere experimenten zeer hoog-energetisch geladen kosmische deeltjes op aarde meten, verwachten we hier ook neutrino's te zien. Juist omdat neutrino's ongeladen zijn en alleen via de zwakke wisselwerking reageren, verschaffen ze informatie die we niet door metingen van kosmische stralen kunnen krijgen over de hoog-energetische stralingsbronnen uit het universum. Neutrino's kunnnen ongehinderd de aarde bereiken, met behoud van alle waardevolle informatie over hun bron, maar zijn daardoor ook lastig te detecteren.

Figuur 3. De atmosferische muon flux als functie van de equivalente diepte in water. De omlaag wijzende driehoeken geven de datapunten weer die bepaald zijn met de eerste lijn van de Antares detector. (Het figuur is genomen uit W.-M.Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006))

De Antares neutrino telescoop bevindt zich op bijna 2.5 kilometer diepte in de Middellandse zee en detecteert neutrinos indirect door het licht van hun reactie produkten te registreren. De aarde fungeert als filter en detector tegelijk: alleen kosmische neutrino's komen door de aarde heen, en uit reactie met de aarde ontstaan muonen. Deze muonen produceren in het zeewater Cherenkov licht door hun hoge snelheid, en dat licht wordt gedetecteerd door de telescoop, die op de bodem van de zee is gericht. De Antares detector is operationeel sinds twee jaar, nadat op 2 Maart 2006 het eerste onderdeel werd aangesloten.

Een uitgebreide analyse van de eerste gegevens van de Antares detector leidde tot een eerste bepaling van de flux van muonen. Dit resultaat komt overeen met eerdere metingen van andere experimenten. De resultaten uit het proefschrift valideren de werking van de Antares neutrino telescoop. Daarnaast blijkt dat met behulp van de ontwikkelde muon spoor reconstructie methode, de efficientie van de detector voor neutrino's aanzienlijk groter is dan met voorgaande methoden.

Ronald Bruijn: The Antares Neutrino Telescope: Performance Studies and Analysis of First Data.

De promotie vindt plaats op woensdag 19 maart 2008, om 12:00 uur in de Agnietenkapel aan de Oudezijds Voorburgwal 231, Universiteit van Amsterdam.
Promotoren: Prof. dr. P. kooijman en Prof. dr. M. de Jong.
Contact: rbruijn@nikhef.nl, 020-5925095