Acoustic detection of ultra-high energy cascades in ice

• Main Author: Böser, Sebastian
• Format: Text
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I 2007
• Subjects: Neutrino; Akustik; Kaskade; Südpol; neutrino; acoustic; cascade; South Pole; 530 Physik; 29 Physik, Astronomie; South pole
• Online Access: https://dx.doi.org/10.18452/15670; https://edoc.hu-berlin.de/handle/18452/16322

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. : 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.