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Measurement of the high-energy astrophysical neutrino energy spectrum combining muon tracks and cascades measured at the IceCube Neutrino Observatory = Messung des hoch energetischen astrophysikalischen Neutrino Energiespektrums mittels einer Kombination von am IceCube Neutrino Observatoriums gemessener Myon-Spuren und Kaskaden
2024
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-18
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07729
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/991196/files/991196.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IceCube (frei) ; cascades (frei) ; energy spectrum (frei) ; neutrino astronomy (frei) ; tracks (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520
Kurzfassung
Die kosmische Strahlung wurde vor über einem Jahrhundert erstmalig entdeckt, doch noch immer ist der Ursprung der höchst energetischen Teilchen unbekannt. Heutzutage werden Messungen unterschiedlicher Teilchen genutzt und miteinander kombiniert, um die Beschleunigungsprozesse und mögliche Quellen zu untersuchen. Eines dieser Teilchen ist das Neutrino, wo ein hochenergetischer Fluss vor einem Jahrzehnt erstmalig durch das IceCube Neutrino Observatorium beobachtet wurde. Seitdem wurde dieser diffuse Fluss extragalaktischen Ursprungs in mehreren Detektionskanälen, die sich auf verschiedene Ereignis-Topologien fokussieren, z.B. durchgehende Myon-Spuren und Kaskaden, bestätigt. In dieser Arbeit werden zehn Jahre an komplementären Myon-Spur- und Kaskaden-Ereignissen des IceCube Neutrino Observatoriums miteinander zu einer Analyse mit hoher Statistik kombiniert. Ein Schlüsselbaustein dieser kombinierten Messung ist das einheitliche Behandeln aller Signal- und Hintergrund-Komponenten des Flusses inklusive systematischer Unsicherheiten. Dafür wird eine neuartige Simulationsmethode genutzt, bei welcher die Detektoreigenschaften während der Simulation kontinuierlich verändert werden. Diese Methode und der Ansatz für die Kombination mehrere Datensätze wird vorgestellt und verifiziert. Beides wird anschließend erstmalig in einer Analyse der hoch energetischen Neutrino Daten angewandt, was eine Messung des Energiespektrums des Astrophysikalischen Neutrino Flusses mit noch nie da gewesener Präzision ermöglicht. Zum ersten Mal überhaupt gibt es Evidenz für ein anderes spektrales Modell als das einfache Potenzgesetz: ein gebrochenes Potenzspektrum des astrophysikalischen Neutrino Flusses wird mit einer Signifikanz von $4.4 \sigma$ bevorzugt. Das gemessene Energiespektrum wechselt bei einer Energie von ${\log_{10}(E_\mathrm{break} / \mathrm{GeV}) = 4.39^{+0.09}_{-0.08}}$ von einem spektralen Index ${\gamma_1 = 1.31^{+0.50}_{-1.21}}$ zu ${\gamma_2 = 2.74^{+0.06}_{-0.07}}$. Zusätzlich zu der Messung dieses Energiespektrums werden detaillierte Studien zur Robustheit der Messung und der Kompatibilität der zwei Datensätze hoch energetischer Ereignisse, Myon-Spuren und Kaskaden, vorgestellt.Cosmic rays were discovered more than a century ago, yet the sources of the highest energy particles remain unknown. Today, measurements of different messenger particles are used and combined to study the acceleration mechanisms and source candidates. One of these messenger particles is the neutrino whose high energy flux of astrophysical origin has first been observed a decade ago by the IceCube Neutrino Observatory. Since then, this diffuse neutrino flux of extra-galactic origin has been confirmed in multiple detection channels focusing on different event topologies, e.g., through-going muon tracks and contained cascades. In this thesis, 10 years of complementary muon track and cascade neutrino data from the IceCube Neutrino Observatory are combined into a high statistics analysis. Key to this combined fit is the consistent modeling of all signal and background flux components including systematic uncertainties. For this, a novel simulation technique is used where the detector response is continuously varied during simulation. This method and approach for combining different samples are presented and verified. It is then applied to an analysis of high-energy neutrino data for the first time resulting in a measurement of the energy spectrum of the astrophysical neutrino flux with unprecedented precision. For the first time, evidence for a spectral shape beyond the single power-law model is obtained: a broken power-law astrophysical neutrino flux is favored with $4.4\sigma$. The measured neutrino energy spectrum steepens from spectral index ${\gamma_1 = 1.31^{+0.50}_{-1.21}}$ to ${\gamma_2 = 2.74^{+0.06}_{-0.07}}$ at a break energy of ${\log_{10}(E_\mathrm{break} / \mathrm{GeV}) = 4.39^{+0.09}_{-0.08}}$. In addition to the spectral shape measurement, detailed studies on the robustness of the result and the compatibility of the two high-energy event selections, muon tracks and cascades, are presented.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030823626
Interne Identnummern
RWTH-2024-07729
Datensatz-ID: 991196
Beteiligte Länder
Germany
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