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Search for the sources of the astrophysical high-energy muon-neutrino flux with the IceCube neutrino observatory
2019 & 2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-19
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11012
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/773297/files/773297.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IceCube (frei) ; astronomy (frei) ; multi-messenger (frei) ; neutrino (frei) ; point-source (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Die kosmische Strahlung wird seit mehr als einem Jahrhundert vermessen, allerdings sind ihre Quellen und die zugrunde liegenden Beschleunigungsmechanismen weiterhin eine offene Frage. Ein ideales Botenteilchen um diese Frage zu beantworten ist das Neutrino. Mit der Messung eines hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoflusses in 2013 und einer Bestätigung durch den unabhängigen Detektionskanal von hochenergetischen durchlaufenden Muonneutrinos, hat das IceCube Neutrino Observatorium ein neues Fenster zum nicht thermischen Universum geöffnet. In dieser Arbeit suchen wir nach Punktquellen des beobachteten astrophysikalischen hoch-energie Muonneutrinofluss. Die Suche basiert auf einem hoch-statistik und hoch-reinen Datensatz, der Daten von 8 Jahren, gemessen mit dem IceCube Neutrino Observatorium, umfasst. Die Ereignisselektion ist auf gut rekonstruierte, aufwärtslaufende und den Detektor durchquerende Muonneutrinoereignisse ausgelegt. Diese Ereignisse werden mit einer mittleren Winkelauflösung von $\sim 1^\circ$ und $\sim 0.3^\circ$ bei Energien von 1 TeV und 1 PeV rekonstruiert. Um eine Himmelsposition auf die Existenz einer Punktquelle zu testen, wird ein ungebinnter Likelihood verwendet. Die Likelihoodmethode ist optimiert auf Quellen, die eine ähnlicher Charakteristik zum astrophysikalischen hochenergie Muonneutrinofluss zeigen. Die Sensitivität auf den Muonneutrinofluss einer Punktquelle mit einem $E^{-2}$ Spektrum is in der Größenordnung von $E^2\,\mathrm{d}N/\mathrm{d}E = 3 \cdot 10^{-13}\,\mathrm{TeV}\,\mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ und stellt eine Verbesserung von $\sim 35\%$ gegenüber vorherigen publizierten Analysen dar. Wir führen einen Scan des gesamten Nordhimmels durch, um nach Punktquellen irgendwo am Himmel zu suchen. Diese Suche verliert allerdings durch die große Anzahl an getesteten Positionen ihre Sensitivität. Um die Anzahl an getesteten Positionen zu reduzieren wird eine vordefinierte Liste, die durch Messungen von Gammastrahlung motiviert wurde, separat getestet. Beide Resultate sind nicht Signifikant und somit kompatible mit dem Untergrund. Zusätzlich testen wir die Himmelsposition des Blasars TXS 0506+056, für den ein Flare in zeitlicher und räumlicher Koinzidenz mit einem extrem hochenergetischen Neutrino gefunden wurde. Dieser Test liefert eine Wahrscheinlichkeit von 2.93% für die Kompatibilität mit reinem Untergrund. Da keine signifikante Neutrinopunktquelle gefunden wurde, verwenden wir die Resultate des Himmelsscans und der Quellkanidatenliste, um nach einer Population von schwachen Quellen zu suchen. Hierzu erstellen wir eine Analyse die nach einem Überschuss an kleinen Wahrscheinlichkeiten sucht. Auch die Resultate dieser Suchen nach Populationen von schwachen Quellen ist nicht signifikant. Daher berechnen wir Ausschlussgrenzen auf die Flussnormalisierung von Referenzspektren und Neutrinoflussspektren für individuelle Quellen, die in der Literatur gefunden werden können. Weiterhin berechnen wir Ausschlussgrenzen für Populationen von Neutrinoquellen in Abhängigkeit ihrer effektiven Neutrinoluminosität und effektiven Quelldichte. Durch die nicht Beobachtung eines signifikanten Überschusses in der Populationsanalyse werden seltene aber starke Quellen, so wie BL Lacs oder FSRQs, als Quellen des gesamten Neutrinoflusses infrage gestellt.Cosmic rays have been measured for more than a century, however, their sources and their acceleration process are still a major open questions in astroparticle physics. Ideal messenger particles and a smoking gun signal for this hadronic acceleration are neutrinos. With the observation of an high-energy astrophysical neutrino flux in 2013 and the confirmation in the independent detection channel of high-energy through-going muon-neutrinos, the IceCube Neutrino Observatory opened a new window to the non-thermal universe. In this thesis we search for point-like sources of the observed astrophysical high-energy muon-neutrino flux. The search is based on a high statistic and high purity data sample taken by the IceCube Neutrino Observatory and contains data from eight years of livetime. The event selection focus on well-reconstructed, up- and through-going muon neutrino events, which are reconstructed with a median angular resolution of $\sim 1^\circ$ at 1 TeV energy and $\sim 0.3^\circ$ at 1 PeV energy. An unbinned likelihood method is used to test celestial positions for the existence of a point-like source. The likelihood method is optimized to sources showing similar characteristics as the observed astrophysical high-energy muon-neutrino flux. The sensitivity on the muon-neutrino flux of a point-like source with an $E^{-2}$ spectrum is of the order of $E^2\,\mathrm{d}N/\mathrm{d}E = 3 \cdot 10^{-13}\,\mathrm{TeV}\,\mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ and improves by about $\sim35\%$ compared to previous published analyses. We perform a scan of the full Northern Hemisphere to search for a point-like source any where in the sky. As this test suffers from the large number of tested positions, in addition, sky positions from a pre-defined source list, motivated by gamma-ray observations, are tested to reduce the number of trials. Both test results are non significant and compatible with only background. We also test for neutrino emission from the source position of the blazar TXS 0506+056 for which a gamma-ray flare has been found in spatial and temporal coincidence with a extreme-high-energy neutrino alert by IceCube. This test results in a p-value of 2.93% and thus is still compatible with only background. As no test for a single point-like source shows a significant deviation from background only, we also test for the existence of a population of sub-threshold sources, both using the results from the northern sky scan and the source list. Therefore, we set up a population analysis, which tests for an excess of small but non significant p-values. Also these tests for populations of sources show no significant excess above only background. Thus, exclusion limits are calculated on the flux normalisation for sources following a baseline $E^{-2}$ spectrum and source spectra found in the literature. In addition, also exclusion limits are calculated on populations of neutrino sources in dependence of their effective neutrino luminosity and effective source density. We conclude that rare but strong sources, such as BL Lacs and FSRQs, are challenged by the non observation as a significant excess in the population analysis.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020297479
Interne Identnummern
RWTH-2019-11012
Datensatz-ID: 773297
Beteiligte Länder
Germany
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