Observation of oscillations of atmospheric neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory

Euler, Sebastian; Wiebusch, Christopher

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-50897

Observation of oscillations of atmospheric neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory = Beobachtung der Oszillationen atmosphärischer Neutrinos mit dem IceCube Neutrino Observatory

Euler, Sebastian (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Euler

ImpressumAachen 2014

Umfang152 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-02-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50897
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/444944/files/5089.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elementarteilchenphysik (Genormte SW) ; Neutrino (Genormte SW) ; Neutrinooszillation (Genormte SW) ; Physik (frei) ; atmosphärische Neutrinos (frei) ; IceCube (frei) ; particle physics (frei) ; neutrino (frei) ; neutrino oscillation (frei) ; atmospheric neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Seit ihrer Entdeckung vor 15 Jahren sind Neutrinooszillationen eines der interessantesten Forschungsgebiete in der Teilchenphysik. In der Vergangenheit war ihre Untersuchung haupsächlich spezialisierten Experimenten vorbehalten. Im letzten Jahr haben jedoch auch die Neutrino-Teleskope ANTARES und IceCube ihre Ergebnisse zur Oszillation atmosphärischer Myon-Neutrinos vorgestellt. Die Ergebnisse erreichen noch nicht die Genauigkeit der führenden Experimente, aber die schiere Größe der Detektoren und die daraus resultierende enorme Statistik lassen konkurrenzfähige Ergebnisse für die Zukunft erwarten. Diese Dissertation beschreibt eine Analyse von IceCube-Daten, die mit dem fast vollständigen Detektor in den Jahren 2010/2011 genommen wurden. IceCube ist der größte Neutrinodetektor der Welt, befindet sich am geographischen Südpol und nutzt das Eis des Antarktischen Eisschilds als Detektionsmedium. IceCube detektiert Neutrinos, die in der Nähe des instrumentierten Volumens wechselwirken, anhand des Tscherenkow-Lichts, das von Sekundärteilchen emittiert wird, die in diesen Wechselwirkungen erzeugt werden. Optische Sensoren, die ein Volumen von einem Kubikkilometer Eis instrumentieren, registrieren dieses Licht und ermöglichen die Rekonstruktion von Richtung und Energie des Neutrinos. Leider detektiert IceCube nicht nur Neutrinos: Das Neutrino-Signal ist verdeckt von einem Untergrund von atmosphärischen Myonen, die in Luftschauern produziert werden. Vor der eigentlichen Analyse muss dieser Untergrund entfernt werden. In der hier vorgestellten Analyse geschieht dies mit einer Ereignisselektion, die auf der Idee basiert, die äußeren Regionen von IceCube als aktives Veto gegen den Myon-Untergrund zu benutzen. Diese Selektion erreicht eine Unterdrückung des Untergrundes von mehr als 6 Größenordnungen und behält gleichzeitig einen großen Neutrino-Datensatz mit einigen tausend Myon-Neutrinos. Im Gegensatz zu der früheren IceCube-Analyse, die nur den Zenitwinkel benutzte, werden die Oszillationsparameter dann mittels einer 2-dimensionalen Likelihood-Anpassung bestimmt, die die rekonstruierten Größen Zenitwinkel und Energie benutzt. Diese Analyse übertrifft die frühere Messung von Mischungswinkel und Massendifferenz an Genauigkeit. Die hierfür entwickelten Techniken werden schon in naher Zukunft Messungen ermöglichen, deren Präzision den derzeit führenden Experimenten ebenbürtig ist.

Neutrino oscillations have become one of the most important research topics in particle physics since their discovery 15 years ago. In the past, the study of neutrino oscillations has been largely the domain of dedicated experiments, but in the last year also the large-volume neutrino telescopes ANTARES and IceCube reported their results on the oscillations of atmospheric muon neutrinos and thus joined the community of experiments studying neutrino oscillations. The precision of their results is not yet competitive, but their sheer size and the consequently enormous statistics give rise to the expectation of a competitive measurement in the future. This thesis describes an analysis that was done on IceCube data taken with the nearly complete detector in the years 2010/2011. IceCube is the world's largest neutrino detector, located at the geographic South Pole, where it uses the Antarctic ice sheet as its detection medium. It detects neutrinos interacting within or close to the instrumented volume by observing the Cherenkov light which is emitted by secondary particles produced in these interactions. An array of optical sensors deployed within a cubic kilometer of ice detects the Cherenkov light and makes it possible to reconstruct the energy and direction of the initial neutrino. Unfortunately, IceCube detects not only neutrinos: the desired neutrino signal is buried in a huge background of atmospheric muons, produced in air showers induced by cosmic rays. This background has to be rejected first. The analysis presented here employs an event selection that is based on the idea of using the outer layers of IceCube as an active veto against the background of atmospheric muons and achieves the necessary background rejection of more than 6 orders of magnitude while keeping a high-statistics sample of several thousands of muon neutrinos. In contrast to the earlier IceCube analysis, which used only the zenith angle, it then performs a 2-dimensional likelihood fit on reconstructed zenith angle and energy and improves upon the earlier measurement of the mixing angle and mass difference. The techniques developed for this analysis are expected to facilitate a competitive measurement of the oscillation parameters in the near future.

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