Kosmische straling en IceCube

On what can we now place our hopes of solving the many riddles which still exist as to the origin and composition of cosmic rays?
–
V.F. Hess

Kosmische straling. Voor de meeste mensen klinkt deze term nogal exotisch. Nochtans hoeven we het niet noodzakelijk in a galaxy far far away te gaan zoeken. Een van de bekendste natuurfenomen op onze aardbol wordt namelijk veroorzaakt door deze kosmische straling: de aurora borealis, ook wel bekend als het noorderlicht. Kosmische straling bestaat uit hoogenergetische deeltjes afkomstig uit de ruimte. In het geval van het noorderlicht, zijn deze deeltjes afkomstig van de zon. De aurora wordt dan gevormd door de interactie van deze deeltjes met de atomen in onze atmosfeer. Maar kosmische straling komt niet altijd van de zon, ook op andere plaatsen in de Melkweg en zelfs nog veel verder kunnen deze deeltjes gevormd worden. Straling die binnen het Melkwegstelsel ontstaat, wordt galactische kosmische straling genoemd en wordt heel waarschijnlijk geproduceerd door Supernovae. Bij deze spectaculaire ontploffingen van sterren kunnen deeltjes zoveel energie verwerven dat ze helemaal tot de Aarde kunnen reizen. Als de bron van deze deeltjes zich buiten de Melkweg bevindt, spreken we van extragalactische kosmische straling. Hoe deze deeltjes echter gevormd worden, daarover tasten we nog steeds in het duister.


Foto van de aurora borealis

Ontdekking van kosmische straling

De ontdekking van kosmische straling dateert van 1912 door Victor Hess tijdens de zoektocht naar de bron van de natuurlijke achtergrondstraling op Aarde. Hij vermoedde dat een deel van deze straling wel eens afkomstig zou kunnen zijn vanuit de ruimte. Om dit te bewijzen maakte hij een reeks metingen met behulp van ballonvluchten. Hess ontdekte dat, tussen een hoogte van 1 km en 5,3 km in de atmosfeer, de gedetecteerde straling toenam met de hoogte en kon daaruit enkel concluderen dat deze straling afkomstig moest zijn uit de ruimte. Deze metingen werden kort nadien bevestigd door gelijkaardige metingen en in 1936 mocht Hess hiervoor de Nobelprijs voor de Fysica in ontvangst nemen.

Detectie van kosmische straling

Kosmische straling kan enkel rechtstreeks waargenomen worden (waarbij het deeltje zelf wordt waargenomen in de detector) vanuit de ruimte. Hierdoor zijn de rechtstreekse detectoren beperkt in grootte en in aantal omdat een ruimtereis nu eenmaal veel geld kost. Gelukkig is er ook een manier om deze stralingsdeeltjes waar te nemen zonder een ruimtevaartuig te moeten afschieten. De hoogenergetische stralingsdeeltjes, afkomstig uit de ruimte, interageren met de atmosfeer als ze invallen op de Aarde. Hierbij worden grote aantallen minder energetische deeltjes geproduceerd die dan voortbewegen naar het aardoppervlak waar ze gedetecteerd kunnen worden. Deze hopen deeltjes worden ook wel air showers genoemd.

Kosmische stralingsdetectoren op het aardoppervlak bestaan vaak uit een hele reeks kleinere detectoren verspreid over een grote oppervlakte. Zo kan een grote `effectieve’ oppervlakte bereikt worden en is het niet nodig om een gigantische detector te bouwen. De grootte van deze oppervlakte is belangrijk, want hoe hoger de energie van het kosmische deeltje is, hoe minder vaak het voorkomt. Om genoeg hoogenergetische deeltjes waar te nemen om een onderzoek te kunnen voeren, is dus een grote detectieoppervlakte nodig.

IceCube Neutrino Observatory

Een voorbeeld van een detector van air showers, de IceCube Neutrino Observatory, bevindt zich op de geografische Zuidpool, het meest zuidelijke punt op de Aarde. Deze detector bestaat uit twee grote delen: de in-ice component, een grote detector genaamd Icecube met een volume van een kubieke kilometer gesitueerd in het ijs van Antarctica, en een component op het oppervlak genaamd IceTop, een detector bestaande uit 162 Cherenkov tanks met een effectieve oppervlakte van een vierkant kilometer. IceCube bestaat uit 86 kabels waar in totaal meer dan 5000 sensoren aan bevestigd zijn. Om deze kabels in het ijs te krijgen werden gaten in het ijs geboord tot wel 2,5 km diepte. De Cherenkov tanks die tevens gevuld zijn met ijs en elk twee sensoren bevatten, werden nadien steeds per twee vlakbij een kabel geplaatst. De volledige detector werd geplaatst tijdens de periode van 2004 tot 2011. De installatie duurde zeven jaar omdat deze enkel kon plaatsvinden tijdens de antarctische zomer (tijdens onze wintermaanden) en twee volledige dagen nodig waren voor het installeren van een enkele kabel.


Illustratie van de IceCube Neutrino Observatory detector

Zowel IceCube als IceTop maken gebruik van hetzelfde detectieprincipe: Cherenkov straling. Deze straling wordt uitgezonden als deeltjes sneller bewegen dan de lichtsnelheid in een bepaald medium. Volgens de wetten van de relativiteit kunnen deeltjes nooit sneller bewegen dan de snelheid van het licht in vacuüm, wat bij goede benadering het geval is in de ruimte. Maar er zijn bepaalde stoffen, zoals ijs maar ook bijvoorbeeld de atmosfeer van de Aarde, waarin de snelheid van het licht lager is dan in vacuüm! In deze stoffen is het dus mogelijk dat deeltjes sneller bewegen dan het licht als ze genoeg energie hebben. Omdat kosmische stralingsdeeltjes extreem veel energie hebben, hebben de deeltjes in air showers vaak nog voldoende energie om sneller te kunnen bewegen dan het licht in de atmosfeer en in het antarctisch ijs. Daarbij wordt dan een blauwachtig licht uitgezonden dat gedetecteerd wordt door de sensoren van IceCube en IceTop.

De voorbije jaren zijn een aantal voorstellen gedaan voor mogelijke uitbreidingen van de IceCube Neutrino Observatory. Zo wil men bijvoorbeeld het effectieve volume van IceCube uitbreiden tot 10 kubieke kilometer. Een andere belangrijke uitbreiding is de installatie van een nieuwe reeks oppervlaktedetectoren genaamd scintillatoren. Deze detectoren zenden een lichtpuls uit als ze geraakt worden door geïoniseerde straling (deeltjes met een lading zoals elektronen en protonen). Deze lichtpuls wordt dan gedetecteerd door de sensor die gekoppeld is aan de scintillator. Deze scintillatoren brengen heel wat voordelen met zich mee voor onderzoek naar kosmische straling. Zo zullen ze geïnstalleerd worden tussen de Cherenkov tanks zodat een groter deel van de totale oppervlakte van IceTop effectief bezet is met een detector. Op die manier kunnen meer deeltjes van een air shower waargenomen worden. Bovendien zijn deze detectoren gevoeliger voor een ander soort deeltje uit de air shower dan IceCube en IceTop waardoor meer informatie uit deze showers gehaald kan worden.


Een voorbeeld van een gesimuleerde air shower. Elke lijn stelt het traject
van een air shower deeltje voor.

Een laatste belangrijk voordeel is dat deze scintillatoren gemonteerd worden bovenop de sneeuwlaag die aanwezig is op de Zuidpool. De Cherenkov tanks zijn sinds hun installatie langzaamaan ondergesneeuwd. In deze sneeuwlaag word een fractie van de deeltjes uit air showers geabsorbeerd en dit moet bij metingen dus ook in rekening gebracht worden. Tot op de dag van vandaag wordt daarvoor een vaste absorptieconstante gebruikt voor de volledige detector, maar deze absorptie kan lokaal variëren. Door de signalen van de scintillatoren met de signalen van de Cherenkov tanks te vergelijken kan dan een lokale absorptiecoëfficiënt bepaald worden.

Mijn thesis

Alvorens de scintillatoren en de Cherenkov tanks gecombineerd kunnen worden in onderzoek, moeten ze eerst gekalibreerd worden met elkaar. Zo moeten de timing van de detectie van deeltjes en de verzameling van lading die deze deeltjes vrijmaken in beide detectoren vergeleken worden. In mijn thesis wordt gefocust op het tijdsaspect. De tijdsverschillen tussen de deeltjesdetectie van beide detectoren wordt bestudeerd. Bovendien wordt gezocht naar een limiet op deze tijdsverschillen waarbinnen deeltjes gedetecteerd in de scintillator en de Cherenkov tank afkomstig zijn van dezelfde shower. Omdat voorlopig slechts een klein aantal prototype scintillatoren geïnstalleerd is voor de testfase, wordt dit onderzoek uitgevoerd door middel van simulaties van de detectoren.

Bernd Herremans

Student Master of Science in de Fysica & Sterrenkunde

Promotor: Prof. dr. Dirk Ryckbosch

Begeleider: Dr. Alessio Porcelli

Simulations of time coincidences of the IceTop and Scintillator Arrays

Bronnen: