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KAT Bericht zur Astroteilchenph ysik Astrophysik Kosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches Jahr der F Helmholtz-Russian Joint Resea Physik Highlights: Solare Neutrinos Dunkle Materie 2012

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Page 1: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

KAT Bericht zur Astroteilchenphysik

Astrophysik Kosmologie

AstroTeilchenPhysik

Teilchenphysik

• KAT-Mitglieder• ASPERA Roadmap• Helmholtz Allianz• Deutsch-Russisches Jahr der Forschung• Helmholtz-Russian Joint Research Group

• Physik Highlights:• • Solare Neutrinos• Dunkle Materie

• 2012

Page 2: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

KAT-Mitglieder• Dunkle Materie Josef Jochum U. Tübingen

• Neutrinomasse Christian Weinheimer U. Münster

• LE-Neutrinoastrophysik Caren Hagner U. Hamburg

• Kosmische Strahlung Karl-Heinz Kampert U. Wuppertal

• Gamma-Astrononomie Christian Stegmann U. Erlangen DESY

• HE-Neutrinoastrophysik Christian Spiering DESY, Zeuthen

• Gravitationswellen Karsten Danzmann AEI, Hannover

• Nukleare Astrophysik Roland Diehl MPI Garching

• AT Theorie Günter Sigl U. Hamburg

Page 3: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

2011 ASPERA Roadmap

2007 2008 2011

„Roadmap Event“ am 21/22. November in Paris Empfehlungen •Medium Scale •Large Scale mid of Decade•Large Scale End of Decade

Page 4: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Medium Scale

• Advanced Gravitational Detectors – advLIGO, advVIRGO, GEO-HF

• Dark Matter – DAMA– XENON1t, später DARWIN, EURECA

• Neutrino-Masse– GERDA, CUORE, SuperNEMO, NEXT– KATRIN

• Erweiterung des Frejus-Laboratoriums

Medium scale projects or medium scale upgrades being at different stages of realization (tens of M€). Funding has to be kept at substantial levels, be it because they have an impressive momentum which needs to be maintained; because they enter a phase with high discovery potential; because they go hand in hand with LHC physics; because they are technologically ready and have a worldwide community behind them; or, finally, because a delay of crucial decisions and funding could even jeopardize the project. :

In rot: high priority

wichtige Rolle deutscher GruppenUnis, MPI, HGF

Page 5: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Large Scale, mid of the decade

• CTA

• KM3NeT• Auger• LAGUNA Verknüpfung mit CERN-Strategie!

Large scale projects whose construction needs to start towards the middle of the current decade (scale of hundreds of M€).

The presently conceived start of construction of KM3NeT, the ground based cosmic ray observatory and a low-energy neutrino detector is in the years 2014-2016. We would support a strategy to search for funding opportunities for these projects – both in Europe and worldwide – and promote any one of these projects as soon as a corresponding window appears.

In rot: high priority

wichtige Rolle deutscher GruppenUnis, MPI, HGF

Page 6: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

The future inVHE gamma ray

astronomy:

10 fold sensitivity of current instruments10 fold energy range

improved angular resolutionexpect ~ 1000 sources

two sites (North / South)operated as observatory

World-wide cooperation25 countries

132 institutes800 scientists

Page 7: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

CTA Status und PläneDesign study phase concluded in Fall 2010

➜ Design Concepts for the Cherenkov Telescope Array(arXiv:1008.3703)

FP7-supported Preparatory Phase: Fall 2010 – Fall 2013➜ Technical design, sites, construction and operation cost➜ Legal, governance and finance schemes➜ Small + medium-sized telescope prototypes

Aim for start of deployment in early 2014first data in 2016/17base arrays complete in late 2018expanded mid-energy array driven by US

Page 8: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

MEMPHYS 600 kton water

GLACIER100 kton liquid argon

LENA50 kt scintillator

50 m

Page 9: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Priorität: Pyhäsalmi Mine – Finnlandmit Liquid Scintillator and Liquid Argon Detector

CERN-Phyäsalmi 2300km

Verknüpft mit CERNCERN European Strategy

Page 10: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Hamburg

Tübingen TU München

Aachen

LENA in Deutschland

•TU München und Aachen, Hamburg, Tübingen, Würzburg•Langfristig interessiert: HGF•Hohe Kompetenz deutschlandweit (Borexino, Double Chooz)

•Publiziert: White Paper

Würzburg

Page 11: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

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Helmholtz-Allianz für Astroteilchen-Physik

HAP und Verbundforschung 2011-14• HAP 2011-2016: 9.9 M€

Page 12: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Suche nach 0 Zerfall mit GERDA

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GERDA Inauguration Nov 2010

Comissioning abgeschlossen

Start des ersten Physik-Runs am 1.11.2011 !

Page 13: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Last commissioning runs:First 2νββ spectrum15kg enriched Ge running since 1.Nov

S/B~10/1

Precursor Heidelberg-Moscow experiment H.V. Klapdor-Kleingrothaus et al.

Eur. Phys. J. A 12, 147–154 (2001)

S/B ~ 1/1

Successful reduction of background w.r. to precursor experiments

HdM claim tested in ~ a year

matrix-elements will become very important in the near future

Page 14: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Borexino most recent result on7Be Neutrinos

Rate solar 7Be-neutrinos: 46 ± 1.546 ± 1.5statstat ± ± 1.31.3syssys / (d 100t)/ (d 100t)

(750 days, 4.3 % total uncertainty)

Page 15: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Borexino most recent result onpep- and CNO-Neutrinos

Page 16: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

MSW Effect

sin212

1- sin212

Page 17: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Observation via

e + p e+ + n

Geo-Neutrinos >3 signal

European reactor signal

No-Oscillation excluded by

99.6 % cl

Anti-Neutrinos in Borexino=> Geo- and Reaktor-Neutrinos

Page 18: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Dark Matter Highlights 2011Zusammenarbeit im Arbeitskreis DM:

•Erfolgreicher gemeinsamer Antrag Verbundforschung BMBF-Förderung zur Vorbereitung von XENON1t and EURECA

Neue Resultate von:

•EDELWEISS fast gleichauf mit CDMS

•XENON100 weltbestes Limit,weitere Verbesserung in Sicht

•CRESST Überschuss bei (10-25) GeV?

•Kombinierte Analyse Edelweiss-CDMS

•XENON 1t Installation begonnen

•EURECA in Vorbereitung

Page 19: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

XENON Charge + LightUSA, Switzerland, Italy, Germany, France, Portugal, Japan, China

astro-ph:1104.2549v2astro-ph:0706.0039

5.5 kg58.6 kgd

10

target, exposurebackground events

~1 cts / 6 kgd

48 kg1471 kgd

3

target, exposurebackground events

~ 1 cts / 500 kgd bckgrnd ~ 50 x lower

XENON102007

XENON1002011

Phys. Rev. Lett. 107, 131302 (2011)

Large improvement on background

Even better in present data taking

Expect better results soon

Large improvement on background

Even better in present data taking

Expect better results soon

Background

WIMP Region

Page 20: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

WIMP Mass / GeV/c2

WIM

P –

Nuc

leon

Cro

ss S

ecti

on /

cm2

http://dmtools.brown.eduGaitskell, Mandic, Filippini

CoGENT 2010

goal 1t projects

Heidelberg Moscow 1996

DAMA 1998 / LIBRA 2008

CDMS 2000EDELWEISS 2002

CRESST 2009

XENON 2011

CDMS 2011

EDELWEISS 2011

IGEX 1998

Baltz, Gondolo MSSM 2001

Trotta et al CMSSM 2008

Baltz, Gondolo 2004

~ 0.002 cts / kg / d

Page 21: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

CRESST – Light / Phonon – CaWO4 Targetfirst part of the data ~200kgd from 2009-2011 run

alphas

low mass (n, low mass WIMPs, ..)

large mass WIMPS

New physics run in preparation:

Reduced - and Pb-recoil- background to see if excess persists or is related to backgrounds.

presently suffers from background

Page 22: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

XENON 100 +• at Gran Sasso• 50 kg fiducial / 170 kg total • starting end of 2009• achieved 2011: ~ 7 x 10-45 cm2

• projected 2012: ~ 2 x 10-45 cm2

XENON 1t• projected 2013: 1000 kg target < 10-47 cm2

USA, Switzerland, Italy, Portugal, Germany, France, Japan, China

XENON

Page 23: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

EURECA

2009/11: design study TDR

2012: LSM excavation + construction EURECA components ~ 100 kg fiducal target at present sites, ~ 10-45 cm2

2013/14: construction at LSM

2015: begin data taking at LSM

2015 – 2018:• continuous upgrade to 1t target• ~ 10-46cm2

Existing laboratory

New LSM extension

Possible EURECA Facility Layout

combines all Europeancryogenic DM efforts:

R&D cooperation with CDMS/GeoDM

Germany, France, UK, Spain, Russia, Ukraine

+ GeoDM (SuperCDMS)

Page 24: KAT Bericht zur Astroteilchenphysik AstrophysikKosmologie Astro Teilchen Physik Teilchenphysik KAT-Mitglieder ASPERA Roadmap Helmholtz Allianz Deutsch-Russisches

Plan 2012 Jahrestreffen Astroteilchenphysik in Deutschland Deutsch-Russischer Astroteilchen-Workshop in Berlin (März),

zweisprachige Broschüre zu gemeinsamen Projekten 24-Seiten Beilage zur Astroteilchenphysik in „Spektrum der Wissenschaft“ (Mai-Heft 2012) Workshop zum 100. Jahrestag der Entdeckung der kosmischen Strahlen

durch Viktor Hess, Bad Saarow (August) Update der 2010 deutsche Roadmap und 3-Seiten-Extrakt (Frühjahr)

Physik 2012

neue Ergebnisse zum Doppelten Beta Zerfall weitere Verbesserung der Sensitivität bei der direkten Suche nach Dunkler Materie

enge Verbindung zu indirekter Suche (Gamma- und Neutrino-Astronomie)und zu LHC

wir werden erfahren, ob 13 von Null verschieden ist

wenn ja, können wir nach CP Verletzung suchen