Verbesserung der Neutrinoausbeute des ANTARES Experimentes

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-10-11
Issue Year
2017
Authors
Richter, Roland
Editor
Abstract

The ANTARES detector is a neutrino telescope, which is installed in the Mediterranean Sea at a depth of about 2400m. It detects neutrinos by measuring Cherenkov photons, which are emitted by muons which move at superluminal speeds through the surrounding water. The muons are mostly produced by interaction of the cosmic radiation with atoms in the atmosphere above the detector. Only a small number is produced by neutrinos, which travel through the earth and enter the detector from below. There they interact with the rock, the seabed or the water inside the instrumented volume of the detector. A reconstruction algorithm then tries to calculate the place, time and direction, consisting of zenith and azimuth angle of the muon from the measured data. By using suitable cuts on various parameters, like the zenith angle or the number of measured photons, the neutrino induced muons are separated from the atmospheric muons. With this detector we try to find sources for cosmic neutrinos, and to measure a source’s energy spectrum, if we are able to detect enough neutrino-events from it. There is no available neutrino source to calibrate the detector. Therefore we have to compare the measured data with Monte Carlo simulations. Part of this work was to examine the 40K-background (Chapter 2). This particular background produces coincident signals on two neighboring optical modules. Because the concentration of the 40K-isotope is constant, the change in the coincident signal can be used to measure the loss of sensitivity of the optical modules over time. Over the monitored time the coincidence rate dropped from about 17 Hz to around 14 Hz per optical module. This corresponds to a reduction of sensitivity of about 10%. For this work, possibilities were searched to increase the neutrino detection efficiency of the ANTARES experiment and to enhance the comparability of measured data with Monte Carlo simulations. Hence in this work, hits were removed from the data, which had no equivalents in the simulation. In this context hits are photons, which were detected by an optical module. The removed hits were detected by optical modules with higher photon rates than 450 kHz, while the simulation considered these optical modules to be switched off (see Chapter 4.1). By removing these hits the comparability between measured data and Monte Carlo simulation was increased. The reconstruction of the events is based on coincident hits. These are measured hits, which can, in time and space of their detection be traced back to a possible common muon. After an event’s reconstruction it can be calculated at which points of the muon track the measured photons must have been produced. Sometimes the calculation results in a place, which is physically impossible to be the starting point of a photon. This is the case, if the photon would have to be produced by the muon below the seabed to fit to the event (see Chapter 4.2). These photons must therefore be part of the optical background. After the removal of these hits the reconstruction of the event was repeated and often the event is revealed as a downward going muon. Such an event has then to be discarded. To provide more neutrino-events for the analyses, events were examined in a range of parameters, which previous methods have found to contain more muon-events than neutrino-events and therefore were discarded so far. It was searched for new parameters and their usefulness to distinguish between neutrino- and muon-events in this range of parameters were examined. The 6 discovered parameters are a possible method to estimate the trustworthiness of the reconstruction. After a successful reconstruction, those optical modules were examined, which were closest to the event, but did not register any photons from it. An event, which is not registered at a place where it is supposed to produce the most photons, cannot be reconstructed realistically and has to be discarded. With the new parameters, it is therefore possible to separate neutrino- and muon-events within so far unused data and to use it for analyses. As a result this leads to an increase of the neutrino candidate events by 10%. The purity of the sample is conserved compared to the previous classification and the new selected events are comparable to the previously selected.

Abstract

Der ANTARES Detektor ist ein Neutrino Teleskop, das im Mittelmeer auf etwa 2400m Tiefe installiert ist. Er detektiert Neutrinos durch die Messung von Tscherenkowphotonen, die von Myonen ausgesandt werden, die sich schneller als das Licht durch das umgebende Wasser bewegen. Die Myonen werden zum größten Teil durch Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit den Atomen in der Atmosphäre über dem Detektor erzeugt. Nur ein kleiner Teil wird von Neutrinos erzeugt, die durch die Erde hindurch, von unten kommend in den Detektor eindringen und mit dem Gestein, dem Meeresboden oder dem Wasser im instrumentierten Volumen des Detektors wechselwirken. Ein Rekonstruktionsalgorithmus versucht dann aus den gemessenen Daten, den Ort, die Zeit und die Richtung, bestehend aus Zenit- und Azimutwinkel, des Myons zu berechnen. Durch die Verwendung geeigneter Schnitte auf verschieden Parameter wie zum Beispiel den Zenitwinkel oder die Anzahl der gemessenen Photonen, werden die neutrinoinduzierten Myonen von den atmosphärischen Myonen getrennt. Mit Hilfe des Detektors sollen Quellen kosmischer Neutrinos aufgespürt werden und, falls es gelingt genügend Neutrino-Ereignisse einer Quelle zu detektieren, sollen deren Energiespektren vermessen werden. Da es für den Detektor keine geeignete Neutrinoquelle für eine Kalibrierung gibt, müssen die gemessenen Daten mit Monte Carlo Simulationen verglichen werden. Ein Teil dieser Arbeit bestand aus der Untersuchung des 40K-Untergrundes (Kapitel 2). Dieser spezielle Untergrund erzeugt koinzidente Signale auf zwei benachbarten Optischen Modulen. Da die Konzentration des 40K-Isotops konstant ist, kann die Veränderung des koinzidenten Signals dazu genutzt werden, den Verlust an Sensitivität der Optischen Module im Lauf der Zeit zu messen. Im untersuchten Zeitraum viel die Koinzidenzrate pro Optischem Modul von zirka 17 Hz auf etwa 14 Hz, was einer Reduktion der Sensitivität von ungefähr 10% entspricht. In dieser Arbeit wurde nach Möglichkeiten gesucht, die Ausbeute der Neutrinodetektion des ANTARES Experiments zu steigern und die Vergleichbarkeit der gemessenen Daten mit den Monte Carlo Simulationen zu verbessern. Deshalb wurden für diese Arbeit Hits aus den Daten entfernt, für die es in der Simulation keine Entsprechungen gab. In diesem Zusammenhang sind Hits Photonen, die von einem Optischen Modul detektiert wurden. Die entfernten Hits wurden von Optischen Modulen mit Photonenraten von über 450 kHz aufgezeichnet, während die Simulation die Datenname dieser Optischen Module als abgeschaltet betrachtet (Kapitel 4.1). Durch das Entfernen dieser Hits wurde die Vergleichbarkeit zwischen gemessenen Daten und Monte Carlo Simulation verbessert. Die Rekonstruktion der Ereignisse basiert auf koinzidenten Hits. Das sind gemessene Photonen die gemeinsam, örtlich und zeitlich, von einem Myon erzeugt worden sein können. Man kann, nachdem man ein Ereignis rekonstruiert hat, berechnen an welchen Stellen seiner Bahn das Myon die Photonen ausgesandt haben musste. Dabei kann es vorkommen, dass manchmal ein Ort berechnet wird, der physikalisch unmöglich der Ursprung eines Photons sein kann. Dies ist dann der Fall wenn das Photon von unterhalb des Meeresbodens vom Myon ausgesandt worden sein musste, um zum Ereignis zu passen (s. Kapitel 4.2). Diese Photonen müssen also zum optischen Untergrund gehören. Nach dem Entfernen dieser Hits und einer Wiederholung der Rekonstruktion offenbaren sich solche Ereignisse meist als von oben kommende Myonen. Diese Ereignisse müssen folglich verworfen werden. 8 Um für die Analysen mehr Neutrino-Ereignisse zur Verfügung zu stellen, wurden die Ereignisse in einem Parameterbereich untersucht, in dem mit den bisherigen Methoden mehr Myon- als Neutrino-Ereignisse gefunden wurden und die daher verworfen wurden. Es wurden neue Parameter gesucht und ihre Tauglichkeit zur Trennung von Neutrino- und Myon-Ereignissen in diesem Bereich untersucht. Die gefundenen Parameter, stellen eine Möglichkeit dar die Zuverlässigkeit der Rekonstruktion abschätzen, in dem nach erfolgreicher Rekonstruktion eines Ereignisses, diejenigen Optischen Module betrachtet werden, die nahe am Ereignis lagen, aber dieses nicht registriert hatten. Ein Ereignis, das dort, wo es die meisten Photonen produziert haben sollte, nicht registriert wird, kann nicht realistisch rekonstruiert worden sein und ist zu verwerfen. Somit ist es mit diesem neuen Parameter möglich auch bisher nicht genutzte Daten in Neutrino- und Myon-Ereignisse zu trennen und diese für mögliche Analysen zur Verfügung zu stellen. Dies führt im Ergebnis zu einer Steigerung der Neutrinoausbeute von 10%. Dabei bleibt die Reinheit des Samples gegenüber der vorhergehenden Klassifizierung erhalten und die neu gewählten Ereignisse sind mit den vorher selektierten Ereignissen vergleichbar.

DOI
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