Search for a diffuse cosmic neutrino flux using shower events in the ANTARES neutrino telescope

Suche nach einem diffusen kosmischen Neutrinofluss mit Hilfe von Schauerereignissen im ANTARES Neutrinoteleskop

  • The ANTARES neutrino telescope is a three-dimensional array of 885 photomultiplier tubes that has been installed in the Mediterranean Sea and that is designed to detect high energy neutrinos from the cosmos. Neutrinos that interact with nucleons in water in deep inelastic scattering processes induce secondary particles, such as muon tracks or hadronic and electromagnetic particle showers, that move faster than the speed of light in water and hence, emit Cherenkov radiation. By measuring the arrival time and the amount of Cherenkov photons at different detector positions the event pattern can be reconstructed, from which conclusions about the energy and the direction of the inducing neutrino The ANTARES neutrino telescope is a three-dimensional array of 885 photomultiplier tubes that has been installed in the Mediterranean Sea and that is designed to detect high energy neutrinos from the cosmos. Neutrinos that interact with nucleons in water in deep inelastic scattering processes induce secondary particles, such as muon tracks or hadronic and electromagnetic particle showers, that move faster than the speed of light in water and hence, emit Cherenkov radiation. By measuring the arrival time and the amount of Cherenkov photons at different detector positions the event pattern can be reconstructed, from which conclusions about the energy and the direction of the inducing neutrino can be drawn. Whereas for a long time the charged current interaction of a muon neutrino has been regarded as the golden channel of neutrino astronomy, as the long muon trajectory allows a good angular resolution, it is evident that the study of hadronic showers from neutral current events or electromagnetic showers from charged current interactions of the electron neutrino is a gain of information that must be taken into account, too. Within this work a search for the all-flavour diffuse cosmic neutrino flux using the ANTARES data from 2007-2012 is presented. As first step a reconstruction algorithm has been developed that is able to identify shower events and determine their parameters, such as vertex position, interaction time, shower energy and neutrino direction, by performing a maximum likelihood fit. The fit is based on probability density function tables that have been created from extensive Monte-Carlo simulations. Several approaches have been investigated to distinguish between track-like and shower-like events. Different cuts have been introduced to suppress the background of atmospheric neutrino and muon events. As after the final cuts no significant signal was observed, a 90% confidence upper limit on the diffuse cosmic neutrino flux was evaluated. show moreshow less
  • Das ANTARES Neutrinoteleskop besteht aus einer dreidimensionalen Anordnung von 885 Photomultipliern. Diese wurden in der Tiefsee des Mittelmeers installiert um Tscherenkow-Strahlung nachzuweisen, die von Teilchen emittiert wird, welche in Streuprozessen hoch-energetischer Neutrinos mit Nukleonen im Wasser erzeugt wurden. Aus der Messung der Ankunftszeit und der Menge der Tscherenkow-Photonen kann das Ereignismuster rekonstruiert und die Energie und Richtung des Neutrinos bestimmt werden. Lange Zeit galt die Wechselwirkung eines Myonneutrinos über den geladenen Strom als goldener Kanal der Neutrinoastronomie, da die Rekonstruktion der langen Myonspur eine gute Winkelauflösung ermöglicht. Die Das ANTARES Neutrinoteleskop besteht aus einer dreidimensionalen Anordnung von 885 Photomultipliern. Diese wurden in der Tiefsee des Mittelmeers installiert um Tscherenkow-Strahlung nachzuweisen, die von Teilchen emittiert wird, welche in Streuprozessen hoch-energetischer Neutrinos mit Nukleonen im Wasser erzeugt wurden. Aus der Messung der Ankunftszeit und der Menge der Tscherenkow-Photonen kann das Ereignismuster rekonstruiert und die Energie und Richtung des Neutrinos bestimmt werden. Lange Zeit galt die Wechselwirkung eines Myonneutrinos über den geladenen Strom als goldener Kanal der Neutrinoastronomie, da die Rekonstruktion der langen Myonspur eine gute Winkelauflösung ermöglicht. Die Erweiterung der Suche auf hadronische Teilchenschauer aus Wechselwirkungen über den neutralen Strom und elektromagnetische Schauer aus Reaktionen von Elektronneutrinos über den geladenen Strom sind jedoch definitiv eine zusätzliche Informationsquelle, die nicht außer Acht gelassen werden sollte. In dieser Arbeit wird eine Suche nach einem diffusen kosmischen Neutrinofluss aller drei Neutrinogenerationen in den ANTARES Daten von 2007-2012 vorgestellt. Hierzu wurde ein Rekonstruktions-Algorithmus entwickelt, der Schauerereignisse erkennen und deren Eigenschaften, wie Ort, Zeitpunkt, Schauerenergie und Richtung des Neutrinos, bestimmen kann. Dies geschieht mit Hilfe eines Maximum-Likelihood-Fits, der auf Wahrscheinlichkeits-Tabellen beruht, welche aus umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen gewonnen wurden. Verschiedene Ansätze zur Unterscheidung von spurartigen und schauerartigen Ereignissen wurden untersucht. Mehrere Schnitte wurden eingeführt um den Untergrund aus atmosphärischen Neutrino- und Myonereignissen zu unterdrücken. Da nach allen Schnitten kein statistisch signifikanter Überschuss an kosmischen Neutrinos beobachtet werden konnte, wurde eine obere Ausschlussgrenze auf den diffusen kosmischen Neutrinofluss bestimmt. show moreshow less

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Metadaten
Author:Florian Folger
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-51074
Advisor:Uli Katz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2014/08/05
Release Date:2014/09/12
Tag:Antares; cosmic neutrino flux; electromagnetic cascade; hadronic cascade; neutrino
SWD-Keyword:Antares; Neutrino; Neutrinoastronomie; Neutrinofluss
Pagenumber:272
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Astronomie / Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
PACS-Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-NichtKommerziell

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