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Dissertation

Autor(en): Matthias J. Leuthold
Titel: Search for cosmic high energy neutrinos with the AMANDA-B10 detector
Gutachter: P. O. Hulth; Paul Söding; Thomas Lohse
Erscheinungsdatum: 01.11.2001
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10015766)
ps (urn:nbn:de:kobv:11-10015770)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Neutrinos, AMANDA, kosmische Strahlung, Hochenergie
Schlagwörter (eng): Neutrinos, AMANDA, Cosmic rays, High energy
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Medizinische Fakultät - Universitätsklinikum Charité
Zitationshinweis: Leuthold, Matthias J.: Search for cosmic high energy neutrinos with the AMANDA-B10 detector; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Medizinische Fakultät - Universitätsklinikum Charité , publiziert am 01.11.2001, urn:nbn:de:kobv:11-10015770
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Abstract (ger):
Diese Arbeit beschreibt die Suche nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos mit dem AMANDA-B10 Detektor. Das Antarctic Muon and Neutrinos Detection Array - AMANDA - ist ein Experiment zum Nachweis hochenergetischer Neutrinos. Es besteht aus einem Gitter optischer Detektoren, die in den antarktischen Gletscher eingeschmolzen wurden. Hochenergetische Myonneutrinos können anhand aufwärts laufender Myonspuren identifiziert werden. Nur Neutrinos reagieren ausschließlich durch die schwache Wechselwirkung, was sie zur einzigen Teilchensorte macht, die die ganze Erde durchlaufen kann. Aufwärtslaufende Spuren sind daher eine klare Signatur für neutrinoinduzierte Ereignisse. Die Richtung der Myonen kann anhand des abgestrahlten Cherenkovlichtes rekonstruiert werden. Für Neutrinoenergien oberhalb einiger hundert GeV behält das Myon die Richtung des Neutrinos im wesentlichen bei. Aus der Richtung des Myons kann daher auf die Richtung des Neutrinos geschlossen werden. Das erlaubt die Identifikation von Quellen. Die häufigste Klasse von Untergrundereignissen sind abwärtslaufende Spuren von Myonen, die durch kosmische Strahlen in der Erdatmosphäre erzeugt werden. Damit ist der wichtigste Selektionsparameter der rekonstruierte Zenithwinkel. Ein weitere Klasse von Untergrundereignissen für die Beobachtung kosmische Neutrinos sind aufwärtslaufende Myonspuren von sogenannten atmosphärischen Neutrinos. Das sind Neutrinos, die von der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre der Nordhalbkugel erzeugt werden, die Erde durchlaufen und als aufwärtslaufende Spuren die gleiche Signatur haben wie kosmische Neutrinos. Im Falle von Punktquellen ist die Identifikation kosmischer Neutrinos über die Häufung von Neutrinos aus einer bestimmten Richtung möglich. Eine weitere Möglichkeit, kosmische Neutrinos von atmosphärischen Neutrinos zu unterscheiden, ist die Energieverteilung: atmosphärische Neutrinos haben ein Energiespektrum mit einem spektralen Index von ungefähr -3.7, während für kosmische Neutrinos ein Spektrum mit einem spektralen Index von -2 erwartet wird. Die Signatur kosmischer Neutrinos ist daher ein Überschuß von hochenergetischen Ereignissen. Zur Selektion dieser Ereignisse ist ein Energieparameter notwendig. Das Thema dieser Arbeit ist die Suche nach einem diffusen Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos, als die Überlagerung der Flüsse von vielen, für sich genommen nicht nachweisbaren Quellen. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit des Detektors wurde zuerst die Separation von atmosphärischen Neutrinos mitentwickelt. Die erhaltenen Kandidaten wurden auf einen Überschuß hochenergetischer Neutrinos untersucht. Dazu wurde die Methode zur Energierekonstruktion, die für den Baikal-Detektor entwickelt wurde, an die optischen Eigenschaften von Eis angepaßt. Eine Analyse der Fehlerbeiträge ergab jedoch, daß stochastische Fluktuationen der Energie- und damit Lichtdeposition die Energieauflösung begrenzen. Die Suche nach alternativen energieabhängigen Selektionsparametern ergab die Anzahl der getroffen Kanäle als effektiven Selektionsparameter für hochenergetische Ereignisse. Mit diesem Parameter konnte die Sensitivität des Detektors für hochenergetische Ereignisse abgeschätzt werden. Eine detaillierte Analyse ergab jedoch systematische Abweichungen zwischen Daten und Monte Carlo. Als Konsequenz wurde ein separater Filter für hochenergetische Ereignisse entwickelt. Mit Separationsschnitten auf nur fünf Parameter konnten die Daten auf weniger als ein Prozent reduziert werden. Die abschließenden Schnitte wurden mit einem Optimierungsprogramm entwickelt. Zur Optimierung der Sensitivität wurde eine Vielfalt von Parametern verglichen. Ein Satz besonders hochenergetischer Ereignisse konnte selektiert werden. Die Zahl und Verteilung der Ereignisse ist konsistent mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinoereignisse. Ein Überschuß von Ereignissen hoher Energie wurde nicht beobachtet. Nach einem letzten Schnitt auf die Anzahl der getroffenen Kanäle als Energieparameter ließ sich daher eine obere Grenze für den Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos ableiten. Unter der generischen Annahme eines E_nu^-2-Spektrums ergibt sich eine Grenze für Energien zwischen 5 * 10^3 GeV und 1 * 10^6 GeV von E^2 * (d Phi_(nu + nubar) / dE_nu )_(90% C.L.) <= 1.0 * 10^-6 cm^-2 s^-1 sr^-1 GeV Der systematische Fehler durch die Unsicherheiten der Erwartung für den atmosphärischen Neutrinofluß, die Unsicherheit der Sensitivität der optischen Module und die Unsicherheiten der Simulation von Myon- und Photonpropagation wurde mit maximal 10% abgeschätzt und ist in der Flußgrenze berücksichtigt. Der Vergleich zu anderen experimentellen Flußgrenzen und theoretischen Vorhersagen ist in Abbildung 8.0.1. gezeigt. Die hier vorgestellte Flußgrenze ist die gegenwärtig härteste experimentelle Grenze im angegebenen Energiebereich. Der Wert ist geringfügig niedriger als eine theoretische Grenze, die aus der Intensität der diffusen kosmischen Gammastrahlung abgeleitet wurde, und schließt eines der Modelle für Aktive Galaktische Kerne mit Neutrinoproduktion in Proton-Proton-Wechselwirkungen knapp aus. Das Ergebnis dieser Arbeit ist als vorläufige Flußgrenze auf zwei internationalen Konferenzen gezeigt worden und wird in einer Zeitschrift publiziert werden. Das wesentliche methodische Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung und systematische Analyse eines Filters für hochenergetische kosmische Neutrinos. Die Entwicklung des Verständnisses der Daten hat mehrere Jahre in Anspruch genommen. In dieser Zeit sind der Detektor vervollständigt und mehr Daten genommen worden. Die Analyse dieser Daten sollte eine baldige Verbesserung der Sensitivität um einen Faktor 5 bis 10 ermöglichen.
Abstract (eng):
High energy neutrinos are a possible probe for cosmic acceleration mechanisms. Using data taken with the AMANDA-B10 detector in 1997 an upper limit of E^2 (d Phi / dE) < 1.0 * 10^-6 cm^-2 s^-1 sr^-1 GeV on the flux of cosmic neutrinos with energies between 5 TeV and 1 PeV was obtained.
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Generiert am 24.04.2014, 10:10:41