Studies on atmospheric neutrino oscillations with the ANTARES neutrino telescope

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-02-22
Issue Year
2011
Authors
Schöck, Friederike
Editor
Abstract

ANTARES is a large Cherenkov detector installed on the seabed of the Mediterranean Sea. It is primarily designed to detect high-energy cosmic neutrinos (E > 1 TeV) that are expected to be emitted in astrophysical objects. The detector consists of a sparse three-dimensional photosensor array, and the sea water is employed as detection medium. The neutrinos are detected via their charged, relativistic interaction products that emit Cherenkov light when propagating through the sea water. ANTARES is optimised for the detection of muons generated by muon neutrinos and has a lower energy threshold of about 10 to 20 GeV. The expected cosmic neutrino signal is embedded in a background of atmospheric neutrinos which constitute the main neutrino signal in ANTARES. The atmospheric neutrinos themselves offer an opportunity to study particle physics aspects, in particular the phenomenon of neutrino oscillations. Neutrino oscillations are a quantum mechanical effect: mass and flavour eigenstates of neutrinos are not identical, and thus neutrinos can change their flavour identity during propagation. In ANTARES, neutrino oscillations will become evident as a deficit in the expected atmospheric muon neutrino flux. The only minimum of the muon neutrino survival probability within the ANTARES sensitivity range is expected in the spectrum around 25 GeV. This is at the sensitivity threshold of ANTARES which renders the determination of the oscillation parameters very difficult. The present thesis is devoted to a feasibility study on the possibility to detect a neutrino oscillation signature in the ANTARES data. Detailed Monte-Carlo studies have been performed to determine the event statistics necessary to detect a significant neutrino oscillation signal. For this purpose, a dedicated low-energy reconstruction strategy has been devised, which allows for the efficient zenith angle reconstruction of low-energy muon tracks. The muon energy is inferred from the muon track length, which is linearly correlated with the muon energy in the relevant energy range (10 - 100 GeV). Furthermore, a concept for data selection and the simulation of realistic data taking conditions has been devised. Monte-Carlo studies show that the detection of flavour oscillations with ANTARES is feasible in general. Applying the analysis to the already available data, no statistically significant result could be obtained. However, the study indicates that the ANTARES data will show evidence for the phenomenon of neutrino flavour oscillations within several years of data taking.

Abstract

ANTARES ist ein großer Cherenkov-Detektor, der am Grund des Mittelmeeres installiert ist. In erster Linie wurde der Detektor für den Nachweis hochenergetischer (E > 1 TeV), kosmischer Neutrinos gebaut. Der Detektor besteht aus einer dreidimensionalen Struktur von Photosensoren und das Meereswasser dient als Detektionsmedium. Die Neutrinos werden über ihre geladenen, relativistischen Wechselwirkungsprodukte nachgewiesen, welche während der Propagation durch das Wasser Cherenkov-Licht emittieren. ANTARES ist auf den Nachweis von Myonen optimiert, welche durch Myon-Neutrinos induziert werden. Die untere Nachweisschwelle liegt dabei bei einer Myonenergie von etwa 10 bis 20 GeV. Das erwartete kosmische Neutrino-Signal ist in einen Untergrund von atmosphärischen Neutrinos eingebettet. Diese atmosphärischen Neutrinos sind das häufigste Neutrino-Signal in ANTARES, und bieten ihrerseits die Möglichkeit teilchenphysikalische Aspekte zu untersuchen, im Speziellen das Phänomen der Neutrinooszillationen. Neutrinooszillationen sind ein quantenmechanischer Effekt: Massen- und Flavoureigenzustände von Neutrinos sind nicht identisch. Daher können Neutrinos während der Propagation ihren Flavourzustand ändern. Neutrinooszillationen werden sich in den ANTARES Daten als ein Defizit vom erwarteten Fluss atmosphärischer Myon-Neutrinos zeigen. Das einzige Minimum der Überlebenswahrscheinlichkeit von Myon-Neutrinos innerhalb des Sensitivitätsbereichs von ANTARES wird im Spektrum bei etwa 25 GeV erwartet. Dies ist an der Sensitivitätsgrenze von ANTARES, was die Bestimmung der Oszillationsparameter äußerst schwierig gestaltet. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist eine Machbarkeitsstudie über die Nachweisbarkeit einer Signatur von Neutrinooszillationen in den ANTARES Daten. Um die Statistik an Neutrinokandidaten zu ermitteln, die für den signifikanten Nachweis von Neutrinooszillationen notwendig ist, wurden detaillierte Monte-Carlo Studien gemacht. Zu diesem Zweck wurde eine dedizierte Niederenergie-Rekonstruktionsstrategie erstellt, welche eine effiziente Zenitwinkelrekonstruktion niederenergetischer Myonenspuren ermöglicht. Die Myonenergie wird von der Spurlänge der Myonen abgeleitet, welche im relevanten Energiebereich (10 - 100 GeV) linear mit der Myonenergie korreliert ist. Weiterhin wurde ein Konzept zur Datenselektion und zur Simulation realistischer Datennahmebedingungen entwickelt. Monte-Carlo Studien zeigen, dass der Nachweis von Flavouroszillationen mit dem ANTARES Detektor generell möglich ist. Die Anwendung der Analyse auf die bereits verfügbaren Daten hat kein statistisch signifikantes Ergebnis geliefert. Die Studie zeigt aber, dass das Phänomen der Neutrinooszillationen in den ANTARES Daten innerhalb weniger Jahre Datennahme nachweisbar sein wird.

DOI
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