Dark Matter Search with ANTARES

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-12-05
Issue Year
2011
Authors
Motz, Holger
Editor
Abstract

Built in the deep sea of the Mediterranean near Toulon, France, the ANTARES neutrino telescope detects neutrinos which interact inside or close to the detector and bring forth a muon which emits Cherenkov light. The detector consists of a photomultiplier array mounted on flexible strings which are anchored on the seabed. From the position and time of the incident Cherenkov photons, the direction of the muon track and thereby that of its precursor neutrino are reconstructed. Part of the project’s physics program is to search indirectly for Dark Matter, by looking for neutrinos emitted in annihilation processes predicted by theories describing the yet unidentified Dark Matter particles. This thesis covers several aspects of searching for neutrinos from the annihilation of Dark Matter accumulating in the centres of the Earth and the Sun. Introductory, the evidences for the existence of Dark Matter are reviewed and the theoretical foundation of Dark Matter candidate particles are explained, before presenting the different methods of direct and indirect Dark Matter search and examining their prospects. Furthermore, an overview of theANTARESdetector is given, with focus on data acquisition and alignment. The sensitivity of ANTARES to the neutrinos from Dark Matter annihilation in the Sun predicted by the theory of minimal Supergravity (mSugra) is studied, finding that with five years of data parts of the mSugra parameter space could be excluded. The neutrino reconstruction procedures applied in analysing the neutrino flux from the direction of the Earth’s centre are introduced, highlighting the development of an efficient hit selection procedure and a dedicated low energy reconstruction algorithm. An improved Monte Carlo simulation of the atmospheric neutrinos and muons, which includes in situ measured optical background and photomultiplier gain distributions, is used to calculate the expected background for the analysis. With these reconstruction and simulation methods an upper limit on the rate of Dark Matter annihilation inside Earth from the data taken in December 2010 is obtained, and the corresponding sensitivity of ANTARES for five years is calculated.

Abstract

Errichtet in der Tiefsee des Mittelmeers nahe Toulon, Frankreich, detektiert das ANTARES Neutrinoteleskop Neutrinos, die in oder in der Nähe des Detektors interagieren und ein Myon erzeugen, das Cherenkov Licht aussendet. Der Detektor besteht aus einer Anordnung von Photomultipliern, die an flexiblen, am Meeresboden verankerten, Leinen montiert sind. Aus dem Ort und der Ankunftszeit der detektierten Cherenkov-Photonen werden die Richtung der Myonenspur und damit die des ursprünglichen Neutrinos rekonstruiert. Teil des Wissenschaftlichen Programms des Projektes ist es, indirekt nach Dunkler Materie zu suchen, über Neutrinos, die in Annihilationsprozessen ausgesandt werden, welche die Theorien vorhersagen, die die noch nicht identifizierten Teilchen der Dunklen Materie beschreiben. Diese Arbeit deckt zahlreiche Aspekte der Suche nach Neutrinos aus der Annihilation Dunkler Materie, welche sich im Zentrum von Erde und der Sonne anhäuft ab. Einführend werden die Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie besprochen, und die Theoretischen Grundlagen der Teilchen, die Kandidaten für die Dunkle Materie sind, erklärt, bevor verschiedene Methoden der direkten und indirekten Suche nach Dunkler Materie vorgestellt, und ihre Möglichkeiten untersucht werden. Des Weiteren wird ein Überblick über den ANTARES Detektor gegeben, mit dem Schwerpunkt auf der Datennahme und der Ortskalibration. Die Sensitivität von ANTARES auf Neutrinos aus der Annihilation Dunkler Materie in der Sonne, wie sie von der Theorie der minimalen Supergravitation (mSugra) vorhergesagt werden, wird untersucht, mit dem Ergebnis, dass in fünf Jahren Messzeit Teile des mSugra Parameterraums ausgeschlossen werden könnten. Die Prozeduren zur Rekonstruktion von Neutrinos, die für eine Analyse des Neutrinoflusses aus Richtung des Erdkerns werden eingeführt, wobei die Neuentwicklung einer effizienten Trefferselektion und eines dedizierten Rekonstruktionsalgorithmus hervorgehoben werden. Eine verbesserte Monte Carlo Simulation der atmosphärischen Neutrinos und Myonen, die vor Ort gemessenen optischen Untergrund und Photomultiplier-Verstärkungs-Verteilungen einschließt, wird zur Berechnung des erwarteten Untergrunds der Analyse verwendet. Mit diesen Rekonstruktions- und Simulationsmethoden wird aus den im Dezember 2010 genommenen Daten eine obere Grenze für die Annihilationsrate Dunkler Materie in der Erde gewonnen, und die zugehörige Sensitivität für fünf Jahre berechnet.

DOI
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