Search for the sources of the astrophysical high-energy muon-neutrino flux with the IceCube neutrino observatory

Reimann, René; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor); Mertsch, Philipp (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xvii, 279 Seiten) : Illustrationen

Kurzfassung

Die kosmische Strahlung wird seit mehr als einem Jahrhundert vermessen, allerdings sind ihre Quellen und die zugrunde liegenden Beschleunigungsmechanismen weiterhin eine offene Frage. Ein ideales Botenteilchen um diese Frage zu beantworten ist das Neutrino. Mit der Messung eines hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoflusses in 2013 und einer Bestätigung durch den unabhängigen Detektionskanal von hochenergetischen durchlaufenden Muonneutrinos, hat das IceCube Neutrino Observatorium ein neues Fenster zum nicht thermischen Universum geöffnet. In dieser Arbeit suchen wir nach Punktquellen des beobachteten astrophysikalischen hoch-energie Muonneutrinofluss. Die Suche basiert auf einem hoch-statistik und hoch-reinen Datensatz, der Daten von 8 Jahren, gemessen mit dem IceCube Neutrino Observatorium, umfasst. Die Ereignisselektion ist auf gut rekonstruierte, aufwärtslaufende und den Detektor durchquerende Muonneutrinoereignisse ausgelegt. Diese Ereignisse werden mit einer mittleren Winkelauflösung von $\sim 1^\circ$ und $\sim 0.3^\circ$ bei Energien von 1 TeV und 1 PeV rekonstruiert. Um eine Himmelsposition auf die Existenz einer Punktquelle zu testen, wird ein ungebinnter Likelihood verwendet. Die Likelihoodmethode ist optimiert auf Quellen, die eine ähnlicher Charakteristik zum astrophysikalischen hochenergie Muonneutrinofluss zeigen. Die Sensitivität auf den Muonneutrinofluss einer Punktquelle mit einem $E^{-2}$ Spektrum is in der Größenordnung von $E^2\,\mathrm{d}N/\mathrm{d}E = 3 \cdot 10^{-13}\,\mathrm{TeV}\,\mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ und stellt eine Verbesserung von $\sim 35\%$ gegenüber vorherigen publizierten Analysen dar. Wir führen einen Scan des gesamten Nordhimmels durch, um nach Punktquellen irgendwo am Himmel zu suchen. Diese Suche verliert allerdings durch die große Anzahl an getesteten Positionen ihre Sensitivität. Um die Anzahl an getesteten Positionen zu reduzieren wird eine vordefinierte Liste, die durch Messungen von Gammastrahlung motiviert wurde, separat getestet. Beide Resultate sind nicht Signifikant und somit kompatible mit dem Untergrund. Zusätzlich testen wir die Himmelsposition des Blasars TXS 0506+056, für den ein Flare in zeitlicher und räumlicher Koinzidenz mit einem extrem hochenergetischen Neutrino gefunden wurde. Dieser Test liefert eine Wahrscheinlichkeit von 2.93% für die Kompatibilität mit reinem Untergrund. Da keine signifikante Neutrinopunktquelle gefunden wurde, verwenden wir die Resultate des Himmelsscans und der Quellkanidatenliste, um nach einer Population von schwachen Quellen zu suchen. Hierzu erstellen wir eine Analyse die nach einem Überschuss an kleinen Wahrscheinlichkeiten sucht. Auch die Resultate dieser Suchen nach Populationen von schwachen Quellen ist nicht signifikant. Daher berechnen wir Ausschlussgrenzen auf die Flussnormalisierung von Referenzspektren und Neutrinoflussspektren für individuelle Quellen, die in der Literatur gefunden werden können. Weiterhin berechnen wir Ausschlussgrenzen für Populationen von Neutrinoquellen in Abhängigkeit ihrer effektiven Neutrinoluminosität und effektiven Quelldichte. Durch die nicht Beobachtung eines signifikanten Überschusses in der Populationsanalyse werden seltene aber starke Quellen, so wie BL Lacs oder FSRQs, als Quellen des gesamten Neutrinoflusses infrage gestellt.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-11012

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