Search for neutrino-induced cascades with the AMANDA-II detector

Abstract

Diese Arbeit enthält die Ergebnisse der Suche nach Neutrino-induzierten kaskadenartigen Ereignissen mit dem AMANDA-II Detektor. Die Signatur von Elektron- und Tauonneutrinowechselwirkungen sind elektromagnetische sowie hadronische Teilchenschauer, sogenannte Kaskaden. Zusätzlich können Neutrinos aller Arten, die über neutrale Ströme wechselwirken, durch hadronische Kaskaden nachgewiesen werden. Es wurden Methoden zur Orts- und Energierekonstruktion von Kaskadenereignissen verbessert sowie neuentwickelt. Sowohl Orts- und Energieauflösung konnten mit Hilfe von künstlichen Lichtquellen verifiziert werden. Ausserdem wurde ein Neutrinogenerator entwickelt, der es erlaubt bis zu den höchsten Energien Neutrino-induzierte Ereignisse zu simulieren. Ein Filter zur Trennung Neutrino-induzierter Kaskaden vom Untergrund atmo- sphärischer Myonereignisse wurde entwickelt. Der erste Datensatz des AMANDA-II Detektors aus dem Jahr 2000 wurde auf die Sig- natur von hochenergetischen Neutrino-induzierten Kaskaden untersucht. Ein einzelnes Ereignis passierte alle Selektionsschnitte. Diese Beobachtung ist mit der erwarteten Anzahl Ereignisse durch atmosphärische Neutrinos und Myonen verträglich. Es wurden obere Grenzen auf den zusätzlichen Beitrag astrophysikalischer Neutrinos bestimmt. Unter der Annahme eines Neutrinoflußes phi(E), welcher proportional zu E^-2 ist, kann eine obere Grenze von E^2 phi(E)=9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 auf den Fluss von Neutrinos aller Arten angegeben werden (90% CL). Die obere Grenze stellt zur Zeit die restriktivste Einschränkung des Neutrinoflußes in einem Energiebereich von circa 50 TeV bis 5 PeV dar. Einige der untersuchten Modellvorhersagen sind nicht mit der Beobachtung verträglich und können somit ausgeschlossen werden.

The subject of this dissertation was the search for a diffuse flux of high energy neutrinos using the data collected with the AMANDA-II detector. In particular this work focused on the detection of neutrino-induced cascades. The signature of a charged current interaction of electron and tau neutrinos is a hadronic and/or electro-magnetic cascade. Additional cascade events from all neutrino flavors are obtained from neutral current interactions. Methods for reconstructing cascades were further improved or newly developed. Where possible, the performance of the reconstruction was tested with in-situ light sources. A Monte Carlo generator was developed, which allows state-of-the-art simulation of all-flavor neutrino events. A dedicated filter was designed which aimed at reducing the large background of atmospheric muons, while keeping a high efficiency for neutrino-induced cascades. The first year of data collected with the AMANDA-II detector has been analyzed. The observed event rates are consistent with the expected rate of neutrinos and muons produce by cosmic ray interaction in the Earth atmosphere. Upper limits on a diffuse flux of extraterrestrial electron, tau and muon neutrinos are presented. A flux of neutrinos following an E^-2 spectrum and consisting of an equal mix of all flavors is limited to E^2 phi(E) < 9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 (at 90 % CL) for a neutrino energy range 50 TeV to 5 PeV. In this energy range the limits are currently the most stringent available and rule out several existing flux predictions for extraterrestrial neutrinos.