Sensitivity of the ANTARES neutrino telescope to gamma-ray bursts [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Melitta Naumann-Godó

Sensitivity of theANTARES Neutrino Telescopeto Gamma-Ray BurstsDen Naturwissenschaftlichen Fakult¨atender Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-Nu¨rnbergzurErlangung des Doktorgradesvorgelegt vonMelitta Naumann-God´oaus AradAls Dissertation genehmigt von den NaturwissenschaftlichenFakult¨aten der Universit¨at Erlangen-Nu¨rnbergTag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 26.02.2007Vorsitzender der Pru¨fungskommission: Prof. Dr. E. B¨anschErstberichterstatter: Prof. Dr. G. AntonZweitberichterstatter: Prof. Dr. G. van der SteenhovenTo my physics teacher Erich Kreißl,for his encouragementZusammenfassungDas ANTARES Neutrinoteleskop wird derzeit am Boden des Mittelmeers aufge-baut, mit dem Ziel, nach galaktischen und extragalaktischen Quellen von hoch-energetischen kosmischen Neutrinos zu suchen und nach Neutrinos, die bei derAnnihilation von dunkler Materie entstehen.DieseArbeitistderDetektionvonNeutrinosausGammastrahlungsausbru¨chen(sogenannte Gamma-Ray Bursts, GRBs) mit dem ANTARES Detektor gewid-met.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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Sensitivity of the
ANTARES Neutrino Telescope
to Gamma-Ray Bursts
Den Naturwissenschaftlichen Fakult¨aten
der Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades
vorgelegt von
Melitta Naumann-God´o
aus AradAls Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen
Fakult¨aten der Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 26.02.2007
Vorsitzender der Pru¨fungskommission: Prof. Dr. E. B¨ansch
Erstberichterstatter: Prof. Dr. G. Anton
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. G. van der SteenhovenTo my physics teacher Erich Kreißl,
for his encouragementZusammenfassung
Das ANTARES Neutrinoteleskop wird derzeit am Boden des Mittelmeers aufge-
baut, mit dem Ziel, nach galaktischen und extragalaktischen Quellen von hoch-
energetischen kosmischen Neutrinos zu suchen und nach Neutrinos, die bei der
Annihilation von dunkler Materie entstehen.
DieseArbeitistderDetektionvonNeutrinosausGammastrahlungsausbru¨chen
(sogenannte Gamma-Ray Bursts, GRBs) mit dem ANTARES Detektor gewid-
met. Die ”Hindsight Methode” wird als eine Offline-Methode zur Identifikation
von GRB-Neutrinos vorgestellt, die nachtr¨aglich angewendet werden kann, da
sie lediglich die GRB-Koordinaten, die bereits von Gamma-Satelliten im Orbit
aufgezeichnet wurden, zusammen mitdenANTARES Daten,dieebenfallsvorher
im Standard-Aufnahmeverfahren gewonnen wurden benutzt, und somit die exis-
tierende Methode, die einen dedizierten Online-Trigger basierend auf Satelliten-
daten benutzt, erg¨anzt.
Um die Sensitivit¨at vorherzusagen wurde der Neutrinofluss von einzelnen
Gamma-Ray Bursts abgesch¨atzt, die mit dem BATSE Detektor beobachtet wur-
den. Die Neutrinoemission wird auf zwei Arten berechnet im Rahmen des GRB
Feuerballmodells mit internen Schockfronten: Das erste Modell nimmt an, dass
10% der γ-Luminosit¨at in Form von Neutrinos ausgesandt wird, w¨ahrend das
zweite Modell etwas raffinierter ist, im dem Sinne, dass es den individuellen Neu-
trinofluss direkt an die gemessene Luminosit¨at des betreffenden GRBs normiert.
Durch Aufsummieren der einzelnen Neutrinospektren wir der mittlere GRB-
Neutrinoflussfu¨runterschiedlicheArtenvonGRBsbestimmt(langeBursts,kurze
Bursts und R¨ontgenblitze).
Fu¨r die Berechnung der zu erwartenden GRB-Neutrinorate in ANTARES
wurden die Schlu¨sselparameter des Teleskops, wie die effektive Fl¨ache und die
Winkelaufl¨osung fu¨r den modifizierten Myon-Rekonstruktionsalgorithmus be-
stimmt. Angesichts der unerwartet hohen optischen Rauschrate in der Tiefsee
am ANTARES Standort, wahrscheinlich aufgrund von erh¨ohter Biolumineszenz-
aktivit¨at seit den ersten Standortbewertungsmessungen, ist es ebenso ein An-
liegen dieser Arbeit, einen Rekonstruktionsalgorithmus zu entwickeln, der robust
ist gegenu¨ber hohen und variablen Untergrundraten und gleichzeitig sowohl die
Effizienz beh¨alt, die man von niedrigen Rauschraten kennt, als auch die Reinheit
der rekonstruierten Ereignisse.
Untergrundstudien, diesowohldieatmosph¨arischenNeutrinosalsauchdieMy-
onenberu¨cksichtigen, deutendaraufhin, dassbereitseinNeutrino, dasinKoinzi-
denz mit dem zeitlichen und r¨aumlichen Fenster eines aufgezeichneten GRBs de-
tektiert wird innerhalb eines Zeitraum von ca. 5 Jahren, zu 3σ signifikant sein
k¨onnte. Diese Messung eines einzelnen GRB-Neutrinos w¨are eine Meilenstein-
Beobachtung, da sie die Beschleunigung von Hadronen bis zu mindestens der
gemessenen Energie best¨atigen wu¨rde und damit einen Anhaltspunkt fu¨r den
Ursprung der kosmischen Strahlung bieten wu¨rde. Fu¨r den Fall, dass kein GRB-Neutrinosignal beobachtet wu¨rde, k¨onnte ein 5-Jahres Limit gesetzt werden:
2 −9 −2 −1 −1E Φ = 3.8·10 GeV cm s sr90%
wenn der Neutrinofluss dem zweiten GRB Flussmodell entspr¨ache.Abstract
The ANTARES neutrino telescope is currently being installed in the Mediter-
raneanSeawiththeprincipal objectiveofsearching forgalacticandextragalactic
sources of high-energy cosmic neutrinos and neutrinos from dark matter annihi-
lation.
This thesis is dedicated to the detection of neutrinos from gamma-ray bursts
(GRBs) with the ANTARES detector. The ”hindsight method” is presented as
an off-line method for the identification of GRB-neutrinos, which can be applied
aposterioriasitusesGRBcoordinatesrecorded beforehandbygamma-raysatel-
lites in orbit, together with ANTARES event data previously collected in normal
sampling mode, thus complementing the existing alert-based method.
To predict its sensitivity, the neutrino flux from individual gamma-ray bursts
which have been observed with the BATSE detector is estimated. The neutrino
emission is calculated in two ways within the framework of the GRB fireball
model with internal shock waves: the first model assumes that 10% of the γ-
luminosity is emitted in the form of neutrinos, while the second model is more
elaborate in the sense that it directly normalises the individual neutrino flux to
the measured luminosity ofthe GRB in question. Bysummarising the individual
neutrino spectra, the average GRB-neutrino flux is calculated for different types
of GRBs (long bursts, short bursts and X-ray flashes).
For the calculation of the expected rate of GRB-neutrinos in ANTARES the
key parameters of the telescope such as effective area and angular resolution
are determined from the modified muon reconstruction algorithm. Given the
unexpectedly high rate of optical noise in the deep sea at the ANTARES site,
probably due to the increase in bioluminescent activity since the first site eval-
uation measurements, this thesis has also been devoted to the development of a
reconstruction algorithm which is robust with respect to high-level and varying
background noiseandretainsmostoftheefficiency familiarfromlownoiselevels,
while at the same time maintaining the purity of the reconstructed events.
Backgroundstudiestakingintoaccountbothatmosphericneutrinosandmuons
alike suggest that one neutrino detected in coincidence with the time and angu-
lar window of a recorded GRB during an observation period of approximately
5 years would already be significant to a level of 3σ. This measurement of a
single GRB-neutrino would already constitute a benchmark observation, since it
would confirm the acceleration of hadrons to at least the measured energy and
thereby provide a clue to the origin of high-energy cosmic rays. In the regret-
tablecaseoftheabsenceofaGRB-neutrinosignala5-yearlimitcouldbederived
corresponding to
2 −9 −2 −1 −1E Φ = 3.8·10 GeV cm s sr90%
if a flux corresponding to the second GRB flux model is expected.Contents
Introduction
1 Neutrinos in astrophysics and cosmology 7
1.1 Neutrino background emission from known sources . . . . . . . . 7
1.2 Candidate cosmic neutrino sources . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Bounds on diffuse high-energy neutrino radiation . . . . . . . . . 17
2 The age of neutrino telescopes 21
2.1 Principles of detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Optical Cherenkov technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 The ANTARES experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Optical background in the deep sea . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 ANTARES detector performance under high optical background 37
3.1 Simulation and analysis chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Muon track reconstruction and selection criteria . . . . . . . . . . 42
3.3 Effective detector volume and area . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Angular resolution and point-spread function . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Impact of systematic uncertainties on efficiency and resolution . . 58
4 Line 1 data analysis 63
4.1 Principles of muon-track reconstruction with one line . . . . . . . 63
4.2 Monte Carlo studies for Line 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 Gamma-ray bursts as candidate sources of neutrinos 73
5.1 The fireball model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Pilot GRB survey with BATSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Neutrino flux calculation in the standard fireball model . . . . . . 81
6 ANTARES sensitivity to gamma-ray bursts 91
6.1 The hindsight method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Expected GRB-neutrino event rates in ANTARES and KM3NeT . 93
6.3 Background studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4 Discovery potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5 Limit-setting potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
17 Conclusions and Outlook 107
A Neutrino rates from neutralino annihilation in the Sun 109
2

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