Acoustic detection of ultra-high energy cascades in ice

• Main Author: Böser, Sebastian
• Other Authors: Kolanoski, Hermann, Hallgren, Allan, Besson, David Z.
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I 2007
• Subjects: Neutrino; Akustik; Kaskade; Südpol; acoustic; cascade; South Pole; 530 Physik; 29 Physik; Astronomie; ddc:530; South pole
• Online Access: http://edoc.hu-berlin.de/18452/16322; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:11-10080657; https://doi.org/10.18452/15670

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 ...