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Searching for High-energy Neutrinos
from Supernovae
with IceCube and an
Optical Follow-up Program
DISSERTATION
zur Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.) der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
vorgelegt von
Anna Franckowiak
aus Wuppertal
Bonn (August, 2011)Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
1. Gutachter: Prof. Dr. Marek Kowalski
2.: Prof. Dr. Jochen Dingfelder
Tag der Promotion: 14.10.2011
Erscheinungsjahr: 2011Für meinen Opa,
der mir das Einmaleins
(und vieles mehr)
beigebracht hat.“The chances of a neutrino actually hitting something as it travels through all this howling
emptiness are roughly comparable to that of dropping a ball bearing at random from a
cruising 747 and hitting, say, an egg sandwich.“
The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy, Douglas AdamsAbstract
In violent astrophysical processes high-energy neutrinos of TeV to PeV energies are expected
to be produced along with the highest energy cosmic rays. The acceleration of nuclei to very
high energies is assumed to takes place in astrophysical shocks and neutrinos are produced
in the interaction of these cosmic rays with ambient baryons or photons. The neutrinos then
escape the acceleration region and propagate through space without interaction, while the
nuclei are deflected in magnetic fields and no longer carry information about their source
position. Unlike gamma-rays, neutrinos are solely produced in hadronic processes and can
therefore reveal the sources of charged cosmic rays.
The IceCube neutrino detector, which is located at the geographical South Pole, has been
build to detect these high-energy astrophysical neutrinos. The deep clear Antarctic ice is in-
strumented with light sensors on a grid, thus forming a Cherenkov particle detector, which
is capable of detecting charged particles induced by neutrinos above 100 GeV.
Transient neutrino sources such as Gamma-Ray Bursts (GRBs) and Supernovae (SNe) are
hypothesized to emit bursts of high-energy neutrinos on a time-scale of. 100 s. While GRB
neutrinos would be produced in the high relativistic jets driven by the central engine, core-
collapse SNe might host soft-relativistic jets which become stalled in the outer layers of the
progenitor star and lead to an efficient production of high-energy neutrinos.
This work aims for an increased sensitivity for these neutrinos and for a possible identifi-
cation of their sources. Towards this goal, a low-threshold optical follow-up program for
neutrino multiplets detected with IceCube has been implemented. If a neutrino multiplet
– i.e. two or more neutrinos from the same direction within 100 s – is found by IceCube a
trigger is sent to the Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE). The 4 ROTSE
telescopes immediately start an observation program of the corresponding region of the sky
in order to detect a possible optical counterpart to the neutrino events.
Complementary to previous transient neutrino searches, which have been performed offline
on IceCube data on source regions and time windows provided by gamma-ray satellites, this
neutrino search is applied – for the first time – in real time to neutrino data at the South Pole.
It is sensitive to transient objects, including those which are gamma-ray dark or not detec-
ted by gamma-ray satellites. In addition to a gain in sensitivity, the optical observations may
allow the identification of the transient neutrino source, be it a SN, a GRB or any other tran-
sient phenomenon producing an optical signal. Hence, it enables to test the hypothesis of
soft relativistic jets in SNe and may shed light on the connection between GRBs, SNe and
relativistic jets.
7The content of this work are the development and implementation of the optical follow-up
program as well as the analysis of the data collected in the first year of operation. No statisti-
cally significant excess in the rate of neutrino multiplets has been observed and furthermore
no coincidence with an optical counterpart was found. However, for the first time stringent
limits can be set on current models predicting a high-energy neutrino flux from soft relati-
vistic hadronic jets in core-collapse SNe. It can be concluded that a sub-population of SNe
51with jets with a typical Lorentz boost factor of 10 and a jet energy of 3 10 erg does not
exceed 4:2% at 90% confidence.Zusammenfassung
In energiereichen astrophysikalischen Prozessen erwartet man die Produktion von Neutri-
nos mit Energien im TeV bis PeV Bereich Seite an Seite mit der Produktion der hochenergeti-
schen komischen Strahlung. Die Beschleunigung der Kerne zu den gemessenen hohen Ener-
gien findet vermutlich in astrophysikalischen Schocks statt. In Wechselwirkungen mit den
umgebenden Baryonen und Photonen werden dann Neutrinos produziert. Diese Neutri-
nos können die Beschleunigungsregion verlassen und propagieren ungehindert durch den
Raum, während die Kerne in intergalaktischen Magnetfeldern abgelenkt werden und sich
ihre Quellen somit nicht mehr zurück verfolgen lassen. Im Gegensatz zu Photonen werden
Neutrinos ausschließlich in hadronischen Prozessen erzeugt und erlauben es so, die Quellen
der kosmischen Strahlung zu identifizieren.
Zum Nachweis dieser astrophysikalischen Neutrinos wurde am geographischen Südpol der
Neutrinodetektor IceCube gebaut. Das tiefe antarktische Eis wurde dafür mit Lichtsensoren
ausgestattet und auf diese Weise in einen Tscherenkov Teilchendetektor verwandelt, wel-
cher geladene Teilchen nachweisen kann, die durch Neutrinos mit Energies oberhalb von
100 GeV induziert werden.
Theoretische Modelle sagen vorher, dass transiente Neutrinoquellen wie Gammastrahlungs-
ausbrüche (GRBs) und Supernovae (SNe) kurze Ausbrüche – sogenannte “Bursts” – von
hochenergetischen Neutrinos auf einer Zeitskala von . 100 s emittieren. Während GRB
Neutrinos in hoch relativistischen Jets produziert werden, könnten Kernkollaps-Supernovae
(CCSNs) einen schwach relativistischen Jet beherbergen, dem es nicht gelingt, die äußere
Hülle des Vorgängersternes zu durchdringen, sondern der darin zum Stillstand kommt und
so für effiziente Neutrinoproduktion sorgt.
Ziel diese Arbeit ist die Verbesserung der Sensitivität für die Messung diese Neutrinos und
die Identifikation ihrer Quellen. Dafür wurde ein optisches Nachverfolgungsprogramm für
Neutrinomultipletts entwickelt, welche mit dem IceCube Neutrinodetektor gemessen wer-
den. Falls ein Neutrinomultiplett – d.h. mindestens zwei Neutrinos aus der gleichen Rich-
tung innerhalb von 100 s – von IceCube gefunden wird, wird ein Trigger an das Robotic
Optical Transient Search Experiment (ROTSE) gesendet. Die vier ROTSE Teleskope starten
unmittelbar ein Beobachtungsprogramm für die entsprechende Richtung am Himmel, um
ein optisches Gegenstück zu den Neutrinoereignisse detektieren zu können.
Im Gegensatz zu den bisher durchgeführten Suchen nach transienten Neutrinoquellen, wel-
che offline durchgeführt und durch die von Gammastrahlensatelliten bereitgestellte Infor-
mationen getriggert werden, wird diese Analyse als bislang erste Analyse in Echtzeit auf
Neutrinodaten am Südpol angewendet. Sie ermöglicht die Detektion von transienten Ob-
jekten, einschließlich solcher, die keine Gammastrahlen emittieren oder die nicht von Satel-
liten beobachtet werden können. Zusätzlich zu einer Verbesserung der Sensitivität können
die optischen Beobachtungen eine Identifikation der Quelle erlauben, unabhängig davon,
ob es sich um eine SN, einen GRB oder eine anderes transientes Phänomen handelt, das ein
optisches Signal erzeugt. Folglich kann mit dieser Methode das Modell für schwach relativi-
stische Jets in SNe getestet, sowie Aufschluß über die Verbindung zwischen GRBs, SNe und
9relativistischen Jets gegeben werden.
Der Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Durchführung des optischen Nachver-
folgungsprogramms sowie die Analyse der Daten, welche während des ersten Jahres des
Betriebs aufgenommen wurden. In den Daten wurde weder ein statistisch signifikanter Ex-
zess der Neutrinomultiplettrate noch ein optisches Gegenstück zu einem der Neutrinomul-
tipletts gefunden. Diese Analyse erlaubt daher zum ersten mal ein strenges Limit auf aktu-
elle Modelle zu setzen, welche einen Fluss hochenergetischer Neutrinos aus schwach rela-
tivistischen hadronischen Jets in Kernkollaps-Supernovae vorhersagen. Es kann mit einem
Vertrauensintervall von 90% ausgeschlossen werden, dass die Subpopulation von SNe mit
51Jets mit typischen Lorentz Boost Faktoren von 10 und Jetenergien von 3 10 erg 4:2%
überschreitet.

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