| Deutsche Zusammenfassung
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich einerseits mit der Suche nach
atmosphärischen Myonneutrinos und andererseits mit der Suche
nach extraterrestrischen Neutrinopunktquellen in dem Datensatz,
welcher im Jahre 1997 durch den AMANDA-Detektor aufgenommenen wurde.
In dieser Arbeit wird zunächst die kosmische Strahlung eingeführt.
Die Suche nach den Quellen dieser Strahlung wurde bisher insbesondere
mit Hilfe der geladenen kosmischen Strahlung selber, sowie mit Hilfe von
Cherenkovteleskopen für Gammastrahlen durchgeführt. Die mit
diesen Techniken gewonnenen Erkenntnisse lassen bisher jedoch noch keine
eindeutigen Schlüsse über die Quellen der geladenen kosmischen Strahlung
zu. Dies motiviert den Versuch, mit Hilfe der Neutrinoastronomie ein
neues Fenster zu den Quellen zu eröffnen.
Es gibt theoretische Modelle für verschiedene potentielle Neutrinoquellen.
Szenarien, in denen massive Teilchen zerfallen und die Zerfallsprodukte ihre
kinetische Energie aus der freigewordenen
Ruhemasse gewinnen, spielen in dieser Arbeit eine untergeordnete Rolle.
Ausführlicher dargestellt werden die konventionellen Modelle,
in denen geladene Teilchen mit Hilfe der
sogenannten Fermibeschleunigung in astrophysikalischen Schockwellen und/oder
Magnetfeldern
beschleunigt werden. Hochenergetische Neutrinos entstehen nur
bei Quellen, welche Hadronen beschleunigen. Insbesondere die Klasse
der aktiven galaktischen Kerne (AGNs) sind hierbei interessant. Die vor
einigen Jahren entwickelten vereinheitlichten AGN-Schemata sind ein
wichtiger Schritt auf dem Weg, diese Objekte zu verstehen. Andere
potentielle Quellen sind Supernovae und ihre überreste, Mikroquasare, sowie
die Quellen hochintensiver Gammastrahlenausbrüche (GRBs). Hoch spekulativ
sind Quellen, welche im elektromagnetischen Spektrum unsichtbar sind,
oder auch bisher vollkommen unerwartete Quellen. Unabhängig von der
genauen Natur möglicher Neutrinoquellen müssen für die Beschreibung
der von ihnen ausgesendeten Neutrinoflüsse Oszillationseffekte
zwischen den verschiedenen Neutrinofamilien berücksichtigt werden.
Der Nachweis der hochenergetischen Neutrinos soll mit dem AMANDA-Detektor
oder ähnlichen Teleskopen erfolgen. Das derzeitige AMANDA-Teleskop
AMANDA-II wurde in den Jahren 1995 bis 2000
aufgebaut. Es basiert auf dem Nachweis
von neutrinoinduzierten Myonen mit Hilfe des Cherenkoveffektes.
Das Cherenkovlicht wird hierbei von, in einem Gitter angeordneten, großen
Sekundärelektronenvervielfachern registriert. Die gewonnene
Zeitinformation erlaubt eine Richtungsrekonstruktion. Das
Charakteristikum für ein Neutrinoereignis ist ein
aufwärts laufendes Myon, da das Neutrino das einzige bekannte Teilchen ist,
welches die Erde durchqueren und ein aufwärts laufendes Myon
erzeugen kann. Die vorliegende Arbeit untersucht Daten, die mit
Hilfe des AMANDA-B10-Detektors im Jahre 1997 genommen wurden. Die Daten
bestehen aus etwa $10^9$ atmosphärischen Myon- und
etwa 5000 atmosphärischen Neutrinoereignissen.
Um die experimentell gewonnenen Daten analysieren zu können, wird der
Vergleich zu simulierten Daten benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit
wurden Flüsse atmosphärischer Myonen mit den Programmen basiev
und Corsika, Flüsse neutrinoinduzierter Myonen mit nusim und
nu2mu generiert. Während eine hohe Zahl von neutrinoinduzierten Myonen
simuliert werden konnte, blieb die Zahl der simulierten atmosphärischen
Myonen weit hinter der Zahl der experimentell gemessenen zurück.
Die Propagation der simulierten Myonen sowie die Detektorsimulation
erfolgte mit den Programmen mudedx bzw. amasim.
Die Zeit-, Orts- und Amplitudeninformationen der gemessenen -- wie
auch der simulierten -- Daten wurden anschließend kalibriert.
Das erste Ziel der Analyse war die Extrahierung eines Satzes
atmosphärischer Neutrinos und ein Verständnis der absoluten
Sensitivität des Detektors. Die hierfür notwendige Prozessierung
der Daten erfolgte in mehreren Schritten. Dabei wechselten
sich immer exaktere (aber auch immer langsamere) Richtungsrekonstruktionen mit
immer strengeren Qualitäts- und Winkelschnitten zur Datenreduktion
ab. Die Rekonstruktionen bestanden sowohl aus schnellen analytischen
Richtungsapproximationen, wie auch aus solchen, die auf langsamen
Minimierung von Likelihoodfunktionen basierten.
Die Schnitte wurden auf topologische Grössen, wie auch auf Parameter,
welche aus der Rekonstruktion gewonnen wurden, angewandt. Die Schnitte waren
notwendig, um Neutrinoereignisse aus dem weit
zahlreicheren Untergrund atmosphärischer Myonenereignisse herauszufiltern.
Es wurden zwei stark reduzierte Datensätze ("BG-10" mit 223 Ereignissen
und "BG-100" mit 369 Ereignissen) aus den gemessenen Daten extrahiert.
Es konnte gezeigt werden, dass hiervon ca. 15 bzw. 100 Ereignisse durch
atmosphärische Myonen bedingt waren. Die Ergebnisse stimmen sehr
gut mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinos überein,
wobei die Erwartung eine Unsicherheit von bis zu 63% aufweist.
Mit dem BG-10 Datensatz war somit das erste Ziel der Analyse erfüllt.
Der BG-100 Datensatz sollte dem zweiten Ziel dieser Arbeit dienen:
der Suche nach extraterrestrischen Neutrinoquellen. Für dieses zweite
Ziel musste zunächst mit der effektiven Fläche} ein Maß
für die Sensitivität des Detektors bezüglich extraterrestrischer
Neutrinos eingeführt werden. Anschließend wurde die Güte der
Richtungsrekonstruktion bestimmt. Hiermit konnte die optimale Grösse der
zu benutzenden Suchfenster festgelegt werden.
Für diese Suchfenster wurde dann die Effizienz
der Rekonstruktion bestimmt. Die Effizienz ist ein Maß für den Anteil
der Neutrinoereignisse, für den die Rekonstruktion korrekt bestimmt, aus
welchem Suchfenster sie stammen.
Nach diesen vorbereitenden Untersuchungen konnte die Quellsuche beginnen.
Für diese Suche waren nun sowohl atmosphärische Myonereignisse, als auch
Ereignisse, die durch atmosphärische Neutrinos hervorgerufen wurden,
Untergrund. Für die Suche
wurden drei verschiedene Strategien angewendet. Zunächst wurde
ein Netz aus 374 aneinander angrenzenden Suchfenstern konstruiert. Basierend
auf der erwarteten Anzahl von Untergrundereignissen für jedes Suchfenster
wurden Wahrscheinlichkeiten berechnet, dass die
Ereignisse ausschließlich Untergrundereignisse sind. Durch die große
Zahl an Suchfenstern gab es einige Fenster, bei denen diese Wahrscheinlichkeit
recht gering war. Insgesamt jedoch gab es keinen signifikanten Hinweis
darauf, dass die Messung nicht auschließlich durch Untergrund erklärt
werden kann. Die zweite Strategie bestand in dem Versuch, mit Hilfe einer
Clusteranalyse Punktquellen zu finden. Auch hier wurden
keine Hinweise auf Punktquellen gefunden. Schließlich wurde in Richtung
von 62 vorselektierten potentiellen Quellen
nach Ereignisüberschüssen gesucht --
ebenfalls ohne ein positives Ergebnis.
Daraufhin wurden obere Flussgrenzen abgeleitet. Diese Grenzen
wurden sowohl richtungsunabhängig als auch für die zuvor selektierten
potentiellen Quellen berechnet. In beiden Fällen wurde dabei für
das Quellspektrum ein spektraler Index gamma = -2
angenommen. Für Neutrinoenergien E > 10 GeV und
Deklinationen > 33 Grad wurden integral
folgende globale, obere Flussgrenzen berechnet:
Myonfluss: 1.41 * 10^-14 cm^-2 s-1 und
Neutrinofluss: 1.65 * 10^-7 cm^-2 s^-1 .
Nach der "Eichung" am Fluss atmosphärischer Neutrinos konnte die
systematische Unsicherheit auf diese Grenzen
zu 46% (systematisch) plus 7% (statistisch) abgeschätzt werden.
Für die 62 ausgewählten Quellen wurden individuelle
Flussgrenzen berechnet.
Diese waren im Durchschnitt etwa einen Faktor drei besser als die integralen
Grenzen für den entsprechenden Deklinationsbereich. Bei
48 potentiellen Quellen waren dies sowohl die ersten Grenzen auf ihren
Neutrino- als auch die ersten Grenzen auf ihren neutrinoinduzierten
Myonenfluss. Für eine weitere Quelle konnte erstmals eine
Grenzen auf den Neutrinofluss abgeleitet werden.
Bei den 14 restlichen Quellen
konnten in fünf Fällen beide bisher publizierten Grenzen verbessert
werden, in zwei weiteren zumindest die Grenze auf den Neutrinofluss.
Im Anhang werden Daten bereitgestellt, mit denen die errechneten Grenzen
auch in Grenzen für andere spektrale Indizes umgerechnet
oder auch Grenzen für weitere Quellen abgeleitet werden können. |
| Abstract
The young field of high energy neutrino astronomy can be motivated by the
search for the origin of the charged cosmic rays. Large astrophysical
objects like AGNs or supernova remnants are candidates to accelerate
hadrons which then can interact to eventually produce high energy neutrinos.
Neutrino-induced muons can be detected via their emission of Cherenkov light
in large neutrino telescopes like AMANDA. More than 10^9 atmospheric
muon events and approximately 5000 atmospheric neutrino events were
registered by AMANDA-B10 in 1997. Out of these, 223 atmospheric neutrino
candidate events have been extracted. This data set contains
approximately 15 background events. It
allows to confirm the expected sensitivity of the detector towards
neutrino events. A second set containing 369 events (approximately 270
atmospheric neutrino events and 100 atmospheric muon events) was used to
search for extraterrestrial neutrino point sources. Neither a binned search,
nor a cluster search, nor a search for preselected sources gave indications
for the existence of a strong neutrino point source. Based on this result,
flux limits were derived. Assuming E^-2 neutrino spectra,
typical flux limits for selected sources of the order of
10^-14 cm^-2 s^-1 for muon fluxes and
10^-7 cm^-2 s^-1 for neutrino fluxes have been obtained. |
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