On the measurement of high-energetic neutrinos with the IceCube neutrino telescope and with acoustic detection methods

Schunck, Matthias; Wiebusch, Christopher

doi:30789

On the measurement of high-energetic neutrinos with the IceCube neutrino telescope and with acoustic detection methods = Zum Nachweis von hochenergetischen Neutrinos mit dem IceCube Neutrinoteleskop und mit akustischen Nachweismethoden

Schunck, Matthias (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Schunck

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIX, 149 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-10-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38384
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82642/files/3838.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elementarteilchenphysik (Genormte SW) ; Astrophysik (Genormte SW) ; Neutrino (Genormte SW) ; Experimentalphysik (Genormte SW) ; Antarktis (Genormte SW) ; Physik (frei) ; IceCube (frei) ; particle physics (frei) ; astrophysics (frei) ; neutrino (frei) ; Antarctica (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Neutrinoastronomie ist ein relativ junges Teilgebiet der Teilchenphysik und umfasst den Nachweis von Neutrinos aus extra-terrestrischen Quellen. Hierzu wurden in den vergangenen Jahrzehnten eine Reihe von speziellen Neutrinoteleskopen entwickelt und weitere befinden sich derzeit in Planung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei Problemstellungen im Zusammenhang mit dem Nachweis höchst-energetischer Neutrinos mit dem IceCube Neutrinodetektor am Südpol. Die erste Problemstellung ist die Untersuchung der Machbarkeit des akustischen Neutrinonachweises als eine mögliche Erweiterung von IceCube zu größeren Detektorvolumina. Hierzu wurde das South-Pole Acoustic Test Setup (SPATS) gebaut, um die akustischen Eigenschaften des Südpol-Eises zu bestimmen. Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Abschwächlänge akustischer Signale im Eis aus in-situ Messungen mit SPATS und einem zusätzlichem akustischen Transmitter (Pinger), der in mehrere Bohrlöcher in eine Tiefe von 190 bis 500m in das Südpoleis eingebracht wurde. Das spezielle Setup und die Datenselektion erlaubt dabei eine Minimierung der systematischen Fehler der Messung, wobei sich die winkelabhängige Sensitivität der SPATS Sensoren als wesentlicher Effekt herausstellt und nicht vermieden werden kann. Die Abschwächlänge wird aus dem Vergleich der Energie der von den SPATS Sensoren gemessenen Pingerpulse für verschiedene Abstände zwischen Pinger und SPATS bestimmt, welche aus den Spektren der Pingerpulse berechnet wird. Die Abschwächlänge wird für jeden der Sensorkanäle einzeln bestimmt und der gewichtete Mittelwert über alle betrachteten Kanäle ergibt sich zu 264(+52 -37)m. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Abschwächlänge von der Tiefe im Eis sowie der Pinger-Frequenz untersucht, wobei weder eine Tiefen- noch eine Frequenzabhängigkeit beobachtet wurden. Das Ergebnis ist konsistent mit weiteren vergleichbaren Analysen, die auf verschiedenen Messungen mit SPATS beruhen. Dennoch ist der gemessene Wert der akustischen Abschwächlänge um eine Größenordnung kleiner als die Erwartung aus theoretischen Betrachtungen. Dies hat folgende Konsequenz für die akustische Neutrinodetektion am Südpol. Zum einen ist die Diskrepanz zwischen Messung und Erwartung ein Hinweis darauf dass eine oder mehrere Annahmen der ursprünglichen theoretischen Überlegungen neu überdacht werden müssen. Das genaue Verständnis des Abschwächmechanismus ist zur Bewertung der Machbarkeit notwendig. Zum anderen hängt das Design eines künftigen Detektors direkt von der Abschwächlänge ab. Mit dem gemessenen Wert ist eine viel dichtere Instrumentierung notwendig als zuvor um die gleiche Nachweisschwelle zu erreichen. Das derzeitige Ziel des SPATS Projektes ist daher eine Neubewertung der akustischen Neutrinodetektion unter den neuen Voraussetzungen. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Methode zur Eventkonstruktion vorgestellt, welche auf dem Top-Down-Prinzip basiert. Die Methode wurde für den IceCube-40 Detektor entwickelt und auf die Energie-Rekonstruktion von Myonen angewendet. Das Top-Down-Prinzip basiert auf dem direktem Vergleich einzelner gemessener Events mit einem großem Sample aus simulierten (Monte-Carlo) Events anhand bestimmter zu definierender Observablen. Über einen Maximum-Likelihood-Ansatzes folgt die Energie des gemessenen Events aus der Energie des Monte-Carlo Events mit der größten Übereinstimmung aus diesem Vergleich.Die hierfür benötigten Monte-Carlo Events werden in einer repräsentativen Datenbank gespeichert, die sämtliche Information aus der Simulation enthält. Für jedes zu rekonstruierende gemessene Event wird ein Event-Sample mit einer ähnlichen Spurgeometrie aus dieser Datenbank ausgewählt und miteinander verglichen. Das Top Down-Prinzip folgt einem generischen Forward-Folding Ansatz und bindet durch die Monte-Carlo Simulation bereits alle Detektoreigenschaften wie dessen finite Auflösung oder die Eiseigenschaften ein. Ein konzeptioneller Nachteil des Prinzips ist dagegen der erhöhte Rechenaufwand im Vergleich zu konventionellen Methoden. Daher soll die Top-Down-Methode zur Energierekonstruktion für eine Auswahl von interessanten Events angewendet werden. Im Verlauf dieser Arbeit wurde die Andwendbarkeit der Top-Down Methode auf den IceCube Detektor demonstriert. Die erreichte Energieauflösung ist bereits vergleichbar mit den Ergebnissen konventioneller Methoden. Die Ergebnisse dieser Proof-of-Concept Studie erlauben eine zukünftige Weiterentwicklung der Methode zur weiteren Verbesserung der Energieauflösung sowie der Performance des implementierten Algorithmus.

Neutrino astronomy is a new field of astroparticle physics that uses neutrino detectors to observe astrophysical objects. Over the last few decades, several dedicated neutrino telescopes have been built and several other are planned for the near future. In this thesis, two subjects have been addressed to enhance the detection of astrophysical neutrinos with the existing IceCube neutrino telescope as well as to explore new detection methods, namely the acoustic detection. In the first part of this thesis, the determination of the acoustic attenuation length in South-Pole ice is presented. This is part of a feasibility study to investigate the acoustic neutrino detection as a possibility to enhance the detection of the highest-energy neutrinos. For this, the acoustic properties of the ice have to be known, and the South-Pole Acoustic Test Setup (SPATS) has been built to determine these. The attenuation length is determined using in-situ measurements with SPATS and a retrievable transmitter (pinger), which was deployed in a depth between 190 and 500m into the water-filled drilling holes. The setup of these measurements allowed for a data sample with few systematic effects. Even though, the unknown angular-dependent sensitivities of the SPATS sensor channels cannot be avoided and are considered as the dominant systematic effect for these measurements. In this thesis, the acoustic attenuation length is calculated by comparing the energy contents of the pinger pulses recorded by the various SPATS sensor channels for different distances between the pinger and the respective channel. The energy was calculated from the Fourier spectra of the pinger pulses for a frequency range between 5 and 35 kHz. The attenuation coefficient is calculated for each channel individually and the weighted mean over the distribution of all considered channels leads to an attenuation length of 264(+52 -37)m. The dependence of the attenuation on both depth and frequency has been investigated, showing no indications for either. This result is consistent with complementary analyses, using either the same or different data samples and analyses techniques. However, the measured value is an order of magnitude smaller than the theoretical prediction. For the acoustic neutrino detection at South Pole, this leads to the following implications. First, it is necessary to understand the mechanism of the acoustic attenuation in order to decide whether acoustic neutrino detection is feasible at South-Pole. The disagreement between the measurements and the theoretical prediction indicate that some of the assumptions leading to the predicted value have to be revised. Secondly, the attenuation length affects the design of a future acoustic detector at South Pole. Using the new information, a much denser spacing is required to achieve the same detection threshold as compared to the initial assumptions. The current effort of the SPATS collaborators is therefore to evaluate the feasibility of the acoustic detection under the new premise. In the second part, a new event reconstruction method based on a Top-Down approach is presented. The method has been implemented for the IC40 detector and applied to the muon energy reconstruction. The Top-Down method is based on the direct comparison of single measured events with a large sample of simulated (Monte-Carlo) events. Using a maximum-likelihood description, the Monte-Carlo event from this sample which has the maximum likelihood value, gives an estimate for the properties of the measured event. The Monte-Carlo events required for the comparison are stored in a database, containing the full event information from the simulations. For each measured event, a sample of Monte-Carlo events with a similar track geometry is selected from this database and compared with the measured event. An advantage of the Top-Down method is that it follows a forward-folding concept, incorporating all properties of the IceCube detector, such as its finite resolution and the ice properties, through the Monte-Carlo simulations. For the purpose of this study, a set of simple detector-level observables has been defined and tested. This likelihood description can be easily extended or replaced to include additional observables. A disadvantage of the method is that it relies on large numbers of Monte-Carlo events and is more computationally intensive than conventional reconstruction methods. Consequently, it is intended for the reconstruction of samples of interesting events, rather than a standard reconstruction procedure for all events. A proof of concept study using Monte-Carlo data has been performed to investigate the applicability of the Top-Down method to the muon energy reconstruction in IceCube. The Top-Down method has been demonstrated to work well and the results from this study can be used to further develop the Top-Down concept and to improve the reconstruction resolution as well as the general performance of the algorithm.

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