Extending the search for cosmic point sources of neutrinos with IceCube beyond PeV energies and above the horizon [Elektronische Ressource] / von Robert Johannes Lauer

Dipl.-Phys. Robert Johannes Lauer

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• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 24
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Extrait

Extending the search for cosmic point
sources of neutrinos with IceCube beyond
PeV energies and above the horizon
D I SS E RTATI O N
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Robert Johannes Lauer
geboren am 01.10.1981 in Aachen
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Dr. Elisa Bernardini
2. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
3. Prof. Dr. Thomas K. Gaisser
eingereicht am: 15.01.2010
Tag der mündlichen Prüfung: 15.04.2010Abstract
Neutrinos are expected to be produced in hadronic interactions in the
environment of astrophysical particle accelerators. Searching for point-like
neutrino signals provides a chance of identifying such sites as sources of cos-
mic rays. An established approach to realise high energy neutrino astron-
omy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks
in subsurface detectors. The IceCube Observatory is currently the largest
of these neutrino telescopes. Presented here is an analysis based on data
taken with IceCube between 2007 and 2008 in its preliminary configuration
of 22 strings.
Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemi-
sphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way
of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates
that the region above the horizon can be included by suppressing the back-
ground through an energy-sensitive event selection. The approach improves
the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all for decli-
nations of more than a few degrees below the horizon due to the absorption
of neutrinos in Earth.
A scan of both celestial hemispheres was performed in this work to iden-
tify neutrino fluxes via excesses of events in individual directions. For a
separate test, a list of specific neutrino source candidates was compiled,
based on model predictions for Active Galactic Nuclei. In an additional
study, data on variable photon fluxes from the blazar 3C279 were used to
define a time-dependent search for short neutrino flares. No significant ex-
cesses above the atmospheric background were found in any of the analysis
parts. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover
point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For cer-
tain source candidates, these limits provide the best constraints on models
predicting neutrinos above PeV energies.
Based on the same event sample, a search for correlations between neutri-
nos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival
directions of air showers with energies of tens of EeV, reported by the HiRes
experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to count coinci-
dences with IceCube data. The result of this study is again compatible with
the background hypothesis.
Keywords:
neutrinos, point sources, IceCube, cosmic rays
iiiZusammenfassung
In Modellen astrophysikalischer Teilchenbeschleuniger werden Neutrino-
emissionen vorhergesagt. Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine
Möglichkeit, solche Orte als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifi-
zieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung
der Cherenkov-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren.
Das IceCube-Observatorium ist zur Zeit das größte Neutrinoteleskop dieser
Art. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die mit IceCube in der
Konfiguration von 22 Trossen zwischen 2007 und 2008 gesammelt wurden.
Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre be-
schränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden,
um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird ge-
zeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Se-
lektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Ener-
gien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption ab
einigen Grad unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren.
Zum Nachweis von Neutrinosignalen durch richtungsabhängige Ereignis-
überschüsse wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt.
Für einen separaten Test wurde eine Liste von Quellkandidaten anhand von
ModellvorhersagenfürAktiveGalaktischeKerneerstellt.Außerdemdienten
Daten über den Blazar 3C279 als Grundlage für eine zeitabhängige Suche
nach kurzen Neutrinoemissionen. Es konnten keine signifikanten Ereignis-
überschüsseüberdemUntergrundbeobachtetwerden.Darausleitensichdie
ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei
Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind
es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien.
Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwi-
schen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kos-
mischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschau-
ern,veröffentlichtdurchdasHiResExperimentunddasPierreAugerObser-
vatorium,wurdenzurBestimmungvonKoinzidenzenmitIceCube-Ereignis-
sen benutzt. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen.
Schlagwörter:
Neutrinos, Punktquellen, IceCube, Kosmische Strahlung
ivContents
1. Introduction 1
2. High energy neutrino astrophysics 5
2.1. Cosmic rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. Charged particle spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2. Astrophysical particle acceleration . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3.ysical neutrino production . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4. Galactic and extra-galactic source candidates . . . . . . . 11
2.2. Neutrinos from Active Galactic Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1. Generic AGN model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2. Blazars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3. Neutrino production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3. Neutrino astronomy 19
3.1. Neutrino propagation and detection . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1. Neutrino oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2. interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.3. Optical detection of neutrino-induced muons . . . . . . . . 25
3.1.4. Atmospheric muons and neutrinos . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2. Instruments and methods of high energy neutrino astronomy . . . 30
3.2.1. Neutrino telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2. Effective areas and point source sensitivity . . . . . . . . . 31
3.2.3. Multi-messenger approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3. Extending point source searches above the horizon . . . . . . . . . 36
4. The IceCube Observatory 39
4.1. The detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.1. The South Pole glacier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.2. Detector structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.3. Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2. Neutrino event simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5. Reconstruction of neutrino events 51
5.1. Basic event characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1. Waveform pulse extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.2. First guess track fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vContents
5.2. Likelihood reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.1. Parametrisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.2. Probability density functions . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.3. Iterative minimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.4. Bayesian likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.5. Angular error estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3. Direction reconstruction performance . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4. Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6. Event selection for a point source search above and below the
horizon 67
6.1. Data sample and Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . 67
6.1.1. IceCube data from 22 strings . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.1.2. Neutrino simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.3. Atmospheric muon simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2. On-line filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.1. Filter settings at the South Pole . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.2. Zenith distribution of filtered events . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.3. Seasonal background variations . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3. Off-line event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.1. Low-level background rejection . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.2. High-level quality selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<