Recherche de neutrinos cosmiques de haute-énergie émis par des sources ponctuelles avec ANTARES, Search for high energy cosmic neutrino point sources with ANTARES

Garabed Halladjian

Description

Sous la direction de Paschal Coyle, Vincent Bertin
Thèse soutenue le 09 décembre 2010: Aix Marseille 2
La source des rayons cosmiques et leur processus d'accélération étant inconnue, la détection des neutrinos cosmiques de haute énergie va dévoiler le mystère de l'origine des rayons cosmiques. Par conséquent, dans un premier temps, le flux de neutrinos, émis par des sources astrophysiques, est estimé en se basant sur les données de l'astronomie γ en considérant l'absorption des rayons γ par l'EBL. Ensuite, le nombre d'événements de neutrinos attendu dans le télescope à neutrinos ANTARES est calculé. Pour pointer ANTARES dans le ciel, la deuxième étape évalue le pointage absolu en utilisant le système de positionnement acoustique. Etant à une profondeur de 2500 m sous la mer Méditerranée, ce système réalise une précision de pointage de 0.127°±0.002° et 0.035°±0.020° dans les directions horizontales et verticales, respectivement. Une fois que le télescope est pointé, la troisième étape cherche les sources ponctuelles de neutrinos. L'algorithme de recherche est basé sur une méthode de maximisation du rapport de vraisemblance. Son avantage est qu'il est robuste, relativement rapide, convergence 100% des cas, sans singularités, un seul paramètre libre et production des cartes du ciel. Il est utilisé dans deux stratégies de recherche. Les coupures sont optimisées pour avoir le meilleur potentiel de découverte et de la sensibilité. En analysant les données 2007+2008, aucune découverte n'est faite et la meilleur limite supérieure dans l'hémisphère sud est mise.
-Neutrino
-Antares
-Source ponctuelle
-Astroparticule
Despite more than a century of effort, the origin of cosmic rays and their mechanism ofacceleration still remain a mystery. The detection of high energy cosmic neutrinos wouldfinally bring answers to these important questions.In the first part of the thesis, the neutrino flux, emitted by galactic and extragalacticsources, is estimated by extrapolating the measured g-ray spectrum of know sources takingin account the g-ray absorption by the extra galactic background light (γγ-> e+eˉ). Next,the expected number of observed neutrino events in the ANTARES neutrino telescope arecalculated for a selection of potential astrophysical sources.In the second part of the thesis, the absolute pointing accuracy of the ANTARES detectoris evaluated. Being located at a depth of 2500 m, the orientation of the detectoris determined by an acoustic positioning system, which relies on low and high frequencyacoustic emissions measurements between the sea surface and the sea bottom. A pointingprecision of 0:127°±0:002° and 0:035°±0:020° in the horizontal and vertical directionsis estimated.The third part of the thesis, is a search for neutrino point sources in the ANTARESdata. The search algorithm is based on a likelihood ratio maximization method. It is robust,relatively rapid, converging 100% of cases, without singularities, has a single freeparameter and can produce aitoff projection sky-maps. It is used in two search strategies;candidate source list and all sky searches. The quality cuts corresponding to the bestdiscovery potential and sensitivity are chosen. Analysing 2007+2008 data, no discoveryis made and the world’s best upper-limits on neutrino fluxes from various sources in theSouthern sky are established
-Neutrino
-Antares
-Point source
-Astroparticle
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22126/document

Sujets

• Neutrino
• Antarès (homonymie)
• Rayon cosmique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 15
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

CPPM-T-2010-08
´ ´ ´UNIVERSITEDELAMEDITERRANEE
AIX-MARSEILLEII
´FACULTEDESSCIENCESDELUMINY
163avenuedeLuminy
13288MARSEILLECedex09
TYPEDEDOCUMENT
Specialit´ e´ : PhysiqueetSciencesdelaMatier` e
Mention: PhysiquedesParticulesetAstroparticules
present´ ee´ par
GarabedHALLADJIAN
envued’obtenirlegradededocteurdel’Universite´ delaMediterran´ ee´
Recherchedeneutrinoscosmiquesdehaute-ener´ gieemis´ par
dessourcesponctuellesavecANTARES
soutenuele9Decembre´ 2010devantlejurycompose´ de:
M. Vincent BERTIN Co-Directeurdethese`
´M. Jose BUSTO Examinateur
M. Paschal COYLE Directeurdethese`
M. Eric KAJFASZ President´ dujury
¨M. Jur¨ gen KNODLSEDER Examinateur
Mme. Annarita MARGIOTTA Rapporteur
M. Santiago PITARemerciements
remerciements...
iiiContents
1 Astroparticlephysicsandhighenergycosmicneutrinos 5
1.1 Cosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 DetectionprincipleandUHECRdetectors . . . . . . . . . 8
5 1.1.1.1 ThePierreAugerObservatory(PAO) . . . . . . 8
1.1.1.2 TheHighResolutionFly’sEyeCosmicRayOb-
servatory(HiRes) . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 UHECRsources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.1 Potentialcosmicraysaccelerationsites . . . . . 9
10 1.1.2.2 PAOresultsontheoriginofcosmicrays . . . . 9
1.1.3 Chemicalcompositionoftheultrahighenergycosmicrays 11
1.2 Cosmicphotonsandγ-rayastronomy . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1 Leptonicprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2 Hadronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
15 1.3 Neutrinoastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Advantagesofneutrinoastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Pointsourcesofcosmicneutrinos . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1.1 ActiveGalacticNuclei . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1.2 GammaRayBurst . . . . . . . . . . . . . . . . 22
20 1.4.1.3 Starburstgalaxies . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.1.4 SupernovaRemnants . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.5 PulsarWindNebulae . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.6 MicroQuasar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1.7 GalacticCenter . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
25 1.4.1.8 TheFermiBubbles . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Highenergyneutrinofluxestimation 29
2.1 Neutrinofluxestimationsteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 ExtragalacticBackgroundLight . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Opticaldepth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
30 2.4 NeutrinofluxestimationattheEarth . . . . . . . . . . . . . . . . 34
iii2.5 EstimatednumberofneutrinoeventsdetectedbyANTARES . . . 36
3 NeutrinodetectionwithANTARES 39
3.1 Highenergycosmicneutrinodetection . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Highenergyinteractions . . . . . . . . . . . . . 39
35 3.1.2 CerenkovEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.3 Detectionprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 ANTARESneutrinotelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 Finalconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.2 DetectorStorey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
40 3.2.3 Opticalmodules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.4 Dataacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.4.1 HittimeandsignaldigitalizationbytheARS . . 52
3.2.4.2 Datatransmissiontotheshore . . . . . . . . . . 53
3.2.5 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
45 3.2.6 TimeCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.6.1 On-shorecalibration . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.6.2 Insitu . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.7 Cosmicneutrinosearchbackgrounds . . . . . . . . . . . 56
3.2.7.1 Atmosphericbackground . . . . . . . . . . . . 57
50 3.2.8 Opticalbackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.8.1 Potassium40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.8.2 Bioluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Km3Neutrinotelescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.1 IceCube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
55 3.3.2 KM3NeT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 Simulationsandreconstructionalgorithms 69
4.1 Monte-Carlosimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 GENHEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.2 CORSIKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
60 4.1.3 MUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.4 KM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.5 GEASIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.6 TriggerEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 BBfitmuontrackreconstructionalgorithm . . . . . . . . . . . . . 73
65 4.2.1 Brightpointfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2 Trackfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 AAfitmuontrackreconstructionalgorithm . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 Pre-selectionofhits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Fitsteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
iv70 5 AbsolutepointingoftheANTAREStelescopeusingtheacousticposi-
tioningsystem 77
5.1 Acousticpositioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.1 High Frequency Long BaseLine (HFLBL) acoustic posi-
tioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
75 5.1.2 FunctioningofHFLBLsystem . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1.3 Low Frequency Long BaseLine (LFLBL) acoustic posi-
tioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Absolutereferential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Pointingofthetelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
80 5.4 Soundvelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.1 Acousticcoordinatesystem . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.2 Threemainstepsfortriangulation . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.3 Optimizationofpointsposition . . . . . . . . . . . . . . 90
85 5.5.3.1 Singularvaluedecomposition . . . . . . . . . . 90
5.5.3.2 Definitionofrecurrencerelation . . . . . . . . 91
5.6 Absolute pointing by DGPS network and LFLBL acoustic posi-
tioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.6.1 RBabsoluteposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
90 5.6.2 BSSmeasurementbyLFLBLsystem . . 94
5.6.3 PointingbyLFLBLsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.6.4uncertaintyofLFLBLacousticpositioningsystem 97
5.6.5 RecalculationofuncertaintyofBSSposition . . . . . . . 99
5.7 AbsolutepointingbyHFLBLacousticpositioningsystem . . . . . 100
95 5.7.1 TelescopepointingbyHFLBLacousticpositioningsystem 100
5.7.2 TuncertaintyusingHFLBLsystem . . . 101
5.7.3 Systematicuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.7.3.1 Uncertainty on the measured acoustic distance
betweentheacousticemitterandreceiver . . . . 107
100 5.7.3.2 Effect of the uncertainty of BSS position given
byLFLBLsystemonthepointing . . . . . . . . 110
5.7.3.3 Uncertaintyonthesoundvelocity . . . . . . . . 111
5.7.3.4 Checkonthechoiceofthehydrophone . . . . . 111
5.8 Relativeuncertaintyonhydrophonepositions . . . . . . . . . . . 112
105 5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Searchforneutrinopointsourcesin2007datausingBBfit 113
6.1 DataSampleandtheMonte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 ComparisonsDatavs . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3 EffectiveAreaandvisibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
v110 6.4 AngularResolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.5 UnbinnedPointSourceSearchMethod . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.5.1 Sensitivityanddiscoverypotentialcalculation . . . . . . . 129
6.6 SearchStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.6.1 Candidatesourcelistsearchstrategy . . . . . . . . . . . . 131
115 6.6.2 Allskysearchstrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.7 CutOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.7.1 Selectedevents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.8 SystematicUncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.8.1 Systematicuncertaintyontheangularresolution . . . . . 139
120 6.8.2onthedetectorefficiency . . . . . 140
6.9 Skymaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.10 Dataresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.10.0.1 Thecandidatesourcesliststrategy . . . . . . . 147
6.10.0.2 Theall-skysearchstrategy . . . . . . . . . . . 157
125 6.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7 Searchforneutrinopointsourcesin2007+2008datausingAAfit 160
7.1 DatasampleandtheMonte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.2 EffectiveAreaandAngularResolution . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.3 SensitivityandDiscoveryPotential . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
130 7.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
A Cosmicraysacceleration 174
B UNESC