Discovery and characterization of a diffuse astrophysical muon neutrino flux with the iceCube neutrino observatory

Schoenen, Sebastian; Wiebusch, Christopher; Schael, Stefan

doi:36290

Discovery and characterization of a diffuse astrophysical muon neutrino flux with the iceCube neutrino observatory

Schoenen, Sebastian

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Sebastian Josef Schoenen

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xix, 234 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-06715
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/696221/files/696221.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/696221/files/696221.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
astroparticle physics (frei) ; methods: statistical analysis (frei) ; icecube (frei) ; astrophysical (frei) ; prompt atmospheric (frei) ; neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Mit Hilfe der Messung von Neutrinoereignissen, deren Wechselwirkungspunkte innerhalb des IceCube Detektors liegen, gelang der IceCube Kollaboration kürzlich die Entdeckung eines hochenergetischen, astrophysikalischen Neutrinoflusses. In dieser Doktorarbeit wird eine komplementäre Messung dieses Flusses mit Hilfe von Myonneutrinoereignissen vorgestellt, die über den schwachen geladenen Strom wechselwirken und deren Wechselwirkungspunkte auch außerhalb des Detektorvolumens liegen können. Durch die große Reichweite der induzierten Myonen ist die effektive Fläche im Vergleich zur vorherigen Messung um ein Vielfaches größer, auch wenn das Sichtfeld auf Grund der Ereignisselektion auf die nördliche Hemisphäre beschränkt ist. Die von IceCube zwischen 2009 und 2015 gemessenen Daten wurden unter Verwendung der rekonstruierten Myonenergien und der rekonstruierten Zenitwinkel mit Hilfe eines Likelihood-Ansatzes analysiert. Der analysierte Datensatz enthält ungefähr 350.000 Myonneutrinoereignisse, hauptsächlich atmosphärischen Ursprungs, mit einem vernachlässigbaren Untergrund atmosphärischer Myonen. Die Statistik dieses Datensatzes ist im Vergleich zu früheren Analysen um fast eine Größenordnung größer. Für die höchsten Neutrinoenergien zwischen 194 TeV und 7,8 PeV wurde ein signifikanter astrophysikalischer Myonneutrinofluss gemessen. Während die experimentellen Daten einen reinen atmosphärischen Neutrinofluss mit einer Signifikanz von 5,6 sigma ausschließen, werden diese gut durch einen isotropen Fluss mit einem Potenzgesetz beschrieben, dessen Normierung bei einer Neutrinoenergie von 100 TeV zu (0,90 +0,30-0,27) ∙ 10-18 GeV-1 cm-2 s-1 sr-1 und dessen Spektralindex zu 2,13+/-0,13 gemessen wurden. Das resultierende Energiespektrum ist im Vergleich zu früheren IceCube-Messungen mit niedrigeren Energieschwellen härter, was auf einen Bruch im astrophysikalischen Neutrinospektrum hinweisen könnte, dessen Ursprung jedoch noch unbekannt ist. Das höchstenergetischste, beobachtete Ereignis hat eine rekonstruierte Myonenergie von (4,5+/-1,2) PeV, was einer Medianmyonneutrinoenergie von 8,7 PeV entspricht. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Ereignis atmosphärischen Ursprungs ist, wird auf weniger als 0.005\% geschätzt, was auf einen astrophysikalischen Ursprung dieses Neutrinos hinweist. Zusätzlich wurden die Ankunftsrichtungen dieses Ereignisses sowie aller anderen Ereignisse mit einer rekonstruierten Myonenergie über 200 TeV analysiert. Jedoch konnten keine Korrelationen mit bekannten gamma-Strahlungsquellen identifiziert werden. Die hohe Statistik atmosphärischer Neutrinos ermöglicht nicht nur die Vermessung des astrophysikalischen Neutrinoflusses sondern auch die Eingrenzung des Flusses prompter atmosphärischer Neutrinos, die beim Zerfall schwerer Mesonen produziert werden. Da keine Anzeichen für ein solches Signal gefunden wurden, muss deren Fluss unterhalb von 1,06 in Einheiten der Flussnormierung des Modells in Enberg et al liegen.

The IceCube Collaboration has previously discovered a flux of high-energy astrophysical neutrinos whose measurement is based on events with interaction vertices contained within the IceCube detector. This thesis presents a complementary measurement of such a flux based on charged-current muon neutrino events whose interaction vertices can be outside the detector volume. Due to the large range of the induced muon the effective area is significantly larger but the field of view is restricted to the Northern Hemisphere. In this thesis IceCube data from 2009 through 2015 have been analyzed using a likelihood approach based on the reconstructed muon energy and zenith angle. The analyzed data consist of about $350,000$ muon neutrinos with a negligible background of atmospheric muons where the majority of these events are atmospheric neutrinos. The here presented analysis improves the statistics compared to previous analyses by almost an order of magnitude. At the highest neutrino energies between 194 TeV and 7.8 PeV a significant astrophysical muon neutrino flux has been measured. While the data is incompatible with a purely atmospheric neutrino flux at 5.6 sigma significance, the data are well described by an isotropic, unbroken power-law flux with a normalization at 100 TeV neutrino energy of (0.90 +0.30-0.27) ∙ 10-18 GeV-1 cm-2 s-1 sr-1 and a hard spectral index of 2.13 +/- 0.13. The corresponding energy spectrum is harder compared to previous IceCube analyses with lower energy thresholds which may indicate a break in the astrophysical neutrino spectrum of unknown origin. The highest energy event observed has a reconstructed muon energy of (4.5+/-1.2) PeV which results in a median muon neutrino energy of 8.7 PeV based on the best-fit neutrino energy spectrum. The probability of this event being of atmospheric origin has been estimated to be less than 0.005%, strongly suggesting an astrophysical origin of this neutrino. The arrival directions of this event and all other events with reconstructed muon energies above 200 TeV have been analyzed, but no correlation with known gamma-ray sources was found. Besides the measurement of the astrophysical neutrino flux, the high statistics of atmospheric neutrinos enable to constrain the flux of prompt atmospheric neutrinos originating from heavy meson decays. Since no indications for such a signal was found, the corresponding flux needs to be below 1.06 in units of the flux normalization of the model in Enberg et al.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)