Measurement of the energy spectrum of astrophysical muon-neutrinos with the IceCube Observatory

Stettner, Jöran Benjamin; Krämer, Michael; Wiebusch, Christopher

doi:40045

Measurement of the energy spectrum of astrophysical muon-neutrinos with the IceCube Observatory

Stettner, Jöran Benjamin^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Jöran Benjamin Stettner

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-01-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-01139
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/811376/files/811376.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cosmic-ray acceleration (frei) ; energy spectrum (frei) ; ice cube (frei) ; muon-neutrino (frei) ; neutrino-astronomy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Beschleunigung hochenergetischer kosmischer Strahlung gehört zu den wichtigsten offenen Fragen der modernen Physik. Für die Untersuchung der zugrundeliegenden Prozesse und der astrophysikalischen Objekte, die in der Lage sind zu solch enorm hohen Energien zu beschleunigen, ist es wichtig komplementäre Messungen durchzuführen. Dies geschieht durch die Detektion verschiedener Botenteilchen auf der Erde. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2013 gehören hochenergetische, astrophysikalische Neutrinos zur Familie der Botenteilchen. In der vorliegenden Dissertation wird eine Messung des kumulativen Flusses dieser Neutrinos und ihres Energiespektrums vorgestellt. Die Studie basiert auf Daten des IceCube Neutrino Observatoriums, einem Großforschungsprojekt am geographischen Südpol, das ca. $1\,km^3$ Eis instrumentiert. Mehr als 650.000 Myonen-Spurereignisse sind in einem Zeitraum von ca. 10 Jahren detektiert worden und fließen in die Analyse ein. Dadurch wird eine verbesserte Messung des astrophysikalischen Neutrinoflusses möglich (Statistik im Vergleich zu vorangegangenen Arbeiten $\simeq \times 2$). Außerdem wurde die Behandlung von systematischen Unsicherheiten der Messung signifikant verbessert. Das gemessene Energiespektrum lässt sich als Potenzgesetz mit einer Normierung von $\phi_{\mathrm{@100TeV}}^{\nu_\mu+\bar{\nu}_\mu} = 1.36_{-0.25}^{+0.24} \cdot 10^{-18}\,\mathrm{GeV}^{-1}\mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$ und einem Spektralindex von $\gamma_{\mathrm{SPL}} = -2.37_{-0.09}^{+0.08}$ beschreiben. Darüber hinausgehend wurde eine Vielzahl von anderen Parametrisierungen für das Energiespektrum astrophysikalischer Neutrinos getestet, unter anderem modell-unabhängige Parametrisierungen, um den Vergleich mit theoretischen Vorhersagen und anderen Messungen zu vereinfachen. In diesen Tests zeichnet sich ein erster Trend für die Existenz von Struktur im Energiespektrum ab, die nicht durch ein einfaches Potenzgesetz beschrieben werden kann: Die experimentellen Daten werden durch die Annahme von einem astrophysikalischen Energiespektrum mit veränderlicher Steigung besser beschrieben, insbesondere ist ein steileres Spektrum bei den höchsten Energien bevorzugt.

The acceleration of high-energetic cosmic rays belongs to the fundamental open questions of modern physics. In order to study the mechanisms behind it and the astrophysical environments which provide the enormous power required for the acceleration, it is crucial to use complementary measurements, i.e. to investigate the fluxes of different messenger particles that reach the Earth. Since their first discovery in 2013, high-energetic astrophysical neutrinos have been established as additional messengers. In this thesis, a measurement of the cumulative flux of these neutrinos and of their energy spectrum is presented.Data has been collected with the IceCube Neutrino Observatory, which instruments approximately one cubic kilometer of glacial ice deep below the South Pole. Using more than 650.000 observed muon-track events from nearly ten years of operation, an improved measurement of the astrophysical muon-neutrino flux has been performed: The increased statistics compared to previous publications ($\simeq \times 2$ ) and an improved treatment of systematic uncertainties lead to a more precise measurement of the astrophysical flux properties. The observed energy spectrum can be described by a power-law with normalization $\phi_{\mathrm{@100TeV}}^{\nu_\mu+\bar{\nu}_\mu} = 1.36_{-0.25}^{+0.24} \cdot 10^{-18}\,\mathrm{GeV}^{-1}\mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$ and spectral index $\gamma_{\mathrm{SPL}} = -2.37_{-0.09}^{+0.08}$. Additionally, a wide range of other parameterizations for the energy spectrum of the astrophysical neutrinos have been tested, including model-independent approaches to enable an easy comparison to theory predictions and other measurements. These tests show first hints for spectral features beyond the single power-law: The experimental data is better described by parameterizations for the astrophysical neutrino spectrum with a changing slope, i.e. with a steeper spectrum at highest energies.

OpenAccess:
PDF
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