Simulation and Reconstruction of Muon Tracks with the "multi-PMT Digital Optical Module" in Comparison to the "PINGU Digital Optical Module" for the IceCube-Gen2 High-Energy Array

Simulation und Rekonstruktion von Myonenspuren mit dem "multi-PMT Digital Optical Module" im Vergleich zum "PINGU Digital Optical Module" für das IceCube-Gen2 High-Energy Array

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-142332
  • The IceCube neutrino observatory is the largest operating neutrino telescope at the moment. It consists of 5160 Digital Optical Modules (DOMs) on 86 vertical strings buried in a depth of 1.5km to 2.5km within the Antartic ice instrumenting a volume of approximately 1 cubic km . An upgrade of the in-ice array to a volume of almost 10 cubic km, called IceCube Gen2 high- energy array, is the subject of current research. The multi photomultiplier (PMT) Digital Optical Module (mDOM), which consists of 24 symmetrically distributed 3-inch PMTs, is considered as detection unit for the Gen2 high-energy array. Alternatively, an upgraded version of the IceCube DOM, called PINGU Digital OpticalThe IceCube neutrino observatory is the largest operating neutrino telescope at the moment. It consists of 5160 Digital Optical Modules (DOMs) on 86 vertical strings buried in a depth of 1.5km to 2.5km within the Antartic ice instrumenting a volume of approximately 1 cubic km . An upgrade of the in-ice array to a volume of almost 10 cubic km, called IceCube Gen2 high- energy array, is the subject of current research. The multi photomultiplier (PMT) Digital Optical Module (mDOM), which consists of 24 symmetrically distributed 3-inch PMTs, is considered as detection unit for the Gen2 high-energy array. Alternatively, an upgraded version of the IceCube DOM, called PINGU Digital Optical Module (PDOM), containing only one 10-inch PMT facing downwards, is also considered as detection unit. This work analyzes the effect of the sensor segmentation of the mDOM on the angular resolution of through-going muon tracks in comparison to the angular resolution obtained with the PDOM within the context of a Gen2 high-energy array geometry. In order to eliminate the effect of different photon detection efficiencies of the two sensor designs, the quantum efficiencies of the respective PMTs are scaled in the simulation to ensure an equalized effective photocathode area per module. For down-going and horizontal through-going muons with an energy between 3TeV and 70PeV a detector equipped with mDOMs yields between 10% and 40% better angular resolution in almost all energy regimes after sensor-independent quality cuts (based on Monte Carlo information) have been applied. For up-going muons with energies below 1PeV the upscaled PDOM yields between 7% and 13% lower angular errors. Finally, estimations of the 90% exclusion limits and the 5σ discovery fluxes of neutrino point sources are conducted for both sensors in a Gen2 high-energy array. For sources with a declination below 5° the upper limits and discovery fluxes obtained with the mDOM are 8 − 11% lower. The upscaled PDOM leads to 4 − 12% lower exclusion limits and discovery fluxes for sources with a declination above 33°.show moreshow less
  • Das "IceCube Neutrino Observatory" ist bis dato das größte aktive Neutrinoteleskop. Es besteht aus 5160 digitalen optischen Modulen (DOMs) an 86 vertikalen Linien in einer Tiefe von 1.5km bis 2.5km im Arktischen Eis und instrumentiert ein Volumen von ca. 1 Kubikkilometer. Eine Erweiterung des instrumentierten Volumens auf nahezu 10 Kubikkilometer, "IceCube Gen2 high-energy array" genannt, ist Gegenstand aktueller Forschung. Das "multi photomultiplier (PMT) Digital Optical Module" (mDOM), welches aus 24 symmetrisch verteilten 3-Zoll PMTs besteht, wird als Basisdetektionseinheit für das "Gen2 high-energy array" in Betracht gezogen. Alternativ wird eine weiterentwickelte Version desDas "IceCube Neutrino Observatory" ist bis dato das größte aktive Neutrinoteleskop. Es besteht aus 5160 digitalen optischen Modulen (DOMs) an 86 vertikalen Linien in einer Tiefe von 1.5km bis 2.5km im Arktischen Eis und instrumentiert ein Volumen von ca. 1 Kubikkilometer. Eine Erweiterung des instrumentierten Volumens auf nahezu 10 Kubikkilometer, "IceCube Gen2 high-energy array" genannt, ist Gegenstand aktueller Forschung. Das "multi photomultiplier (PMT) Digital Optical Module" (mDOM), welches aus 24 symmetrisch verteilten 3-Zoll PMTs besteht, wird als Basisdetektionseinheit für das "Gen2 high-energy array" in Betracht gezogen. Alternativ wird eine weiterentwickelte Version des "IceCube Digital Optical Modules", "PINGU Digital Optical Module (PDOM)" genannt, welche lediglich einen nach unten gerichteten 10-Zoll PMT beinhaltet, in Betracht gezogen. Diese Arbeit analysiert die Effekte der Sensorsegmentierung des mDOMs auf die Richtungsauflösung von durchgehenden Myonenspuren verglichen mit der mit dem PDOM erreichbaren Richtungsauflösung im Kontext einer "Gen2 high-energy array" Detektorgeometrie. Um den Effekt der unterschiedlichen Photonendetektionseffizienzen der beiden Sensordesigns zu eliminieren wurde die Quanteneffizienz der jeweiligen PMTs in der Simulation skaliert um die gleiche effektive Photokathodenfläche pro Modul sicherzustellen. Ein mit mDOMs ausgestatteter Detektor ermöglicht für nach unten propagierende Myonen und für Myonen aus horizontaler Richtung mit einer Energie zwischen 3TeV und 70PeV eine zwischen 10% und 40% bessere Richtungsauflösung in allen Energiebereichen nach Anwendung von sensorunabhängigen Qualitätsschnitten (basierend auf Monte-Carlo Informationen). Für nach oben propagierende Myonen mit Energien unterhalb von 1PeV erzielte der hoch-skalierte PDOM zwischen 7% und 13% niedrigere Winkelfehler. Abschließend wurde die 90% Ausschlussgrenze und der für eine Entdeckung mit 5σ notwendige Fluss für Neutrinopunktquellen für beide Sensoren in jeweils einem "Gen2 high-energy array" abgeschätzt. Für Quellen mit einer Deklination unterhalb von 5° sind die mit dem mDOM abgeschätzten oberen Grenzen und die für eine Entdeckung notwendigen Flüsse 8 - 11% geringer. Der hoch-skalierte PDOM führte zu 4 - 12% geringeren, oberen Grenzen und zu 4 – 12% kleineren, für Entdeckungen notwendigen, Flüssen jeweils für Quellen mit einer Deklination über 33°.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas Kittler
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-142332
Referee:Gisela Anton, Alexander Kappes
Advisor:Gisela Anton
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2020
Date of online publication (Embargo Date):2020/08/01
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2020/07/14
Release Date:2020/08/10
Tag:IceCube Gen2; astroparticle physics; mDOM; neutrino telescope
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht