On the measurement of high-energetic neutrinos with the IceCube neutrino telescope and with acoustic detection methods [Elektronische Ressource] / Matthias Schunck

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

On the Measurement of High-Energetic Neutrinos
with the IceCube Neutrino Telescope and with
Acoustic Detection Methods
VonderFakult atfur Mathematik,InformatikundNaturwissenschaften
derRWTHAachenUniversityzurErlangungdesakademischenGrades
eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Matthias Schunck
aus Berlin
Berichter:
Universit atsprofessor Herr Prof. Dr.rer.nat Christopher Wiebusch
Universit atsprofessor Herr Prof. Dr.rer.nat Thomas Hebbeker
Tag der mundlic hen Prufung: 7. 10. 2011
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.Contents
1 Introduction 1
2 Astroparticle physics 3
2.1 High-Energy Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Cosmic-Ray Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3 Candidates for Cosmic-Ray Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4 The GZK E ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 High-Energy Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Production Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Neutrinos from Cosmic-Ray Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Cosmogenic (GZK) Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.4 Top-Down Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.5 Current Limits on the Neutrino Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 The Atmospheric Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Detection of Neutrinos at the South Pole 17
3.1 The Ice at the South Pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Neutrino Interactions in Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1 Inelastic Neutrino Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 Lepton Signatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.3 Cascades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Optical Neutrino Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1 Cherenkov E ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.2 Optical Ice Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Acoustic Neutrino Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.1 The Thermo-Acoustic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.2 Acoustic Ice Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 Radio Neutrino Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 High-Energy-Neutrino Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
iiiiv Contents
4 The IceCube Neutrino Observatory 42
4.1 The Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Data Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.1 Data Acquisition (DAQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.2 Standard Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Event Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.1 Maximum-Likelihood Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Muon Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.3 Muon Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 The South-Pole Acoustic Test Setup (SPATS) 55
5.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.1 In-ice Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.2 On-ice Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.3 Pinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.4 Acoustic Data Taking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 Recent Results of SPATS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.1 Attenuation Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.2 Ambient Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.3 Sound Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.4 Shear Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 Acoustic Attenuation Length 65
6.1 Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Pinger Data Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2.1 Pinger Depth Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3 Frequency Domain Pinger Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.1 Data Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.2 Pulse Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3.3 Fourier Spectra and Noise Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.4 E ective Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.3.5 Attenuation Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3.6 Error Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4.1 Single-Channel Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4.2 Multi-Channel (Global) Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4.3 Depth Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4.4 Frequency Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5 SPATS Attenuation Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5.1 Pinger Time Domain Energy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5.2 Inter-String Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Contents v
6.5.3 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.6 Comparison of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 Top-Down Reconstruction of Muon Energies 102
7.1 The Top-Down Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.2.1 Monte-Carlo Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.2.2 Event Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.2.3 Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2.4 Likelihood De nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3 Monte-Carlo Data Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.3.1 Data Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.3.2 Quality Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.4 Future Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8 Summary & Outlook 130
A Thermo-acoustic e ect in solids 134
Danksagung 149List of Figures
2.1 All-particle cosmic ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 The Hillas criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Observation of cuto in cosmic ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 GZK neutrino ux for di erent nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 Observational limits on the di use ux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 limits in the EHE range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7 Observational limits on the acoustic and radio neutrino detection . . . . . . . . 15
3.1 Phase diagram of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Density and temperature pro les at South Pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Neutrino cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Muon energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Optical absorption and scattering coe cients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6 Bi-polar pressure pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.7 Acoustic wave trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8 Acoustic absorptivity and e ective scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.9 Energy ratio of P and S wave at medium boundary . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1 The IceCube detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 IceCube string distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Digital Optical Module . . . . . . . .