German Title: Suche nach hochenergetischen Neutrinos aus unserer Galaxie mit IceCube

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Abstract

High energy neutrino telescopes are expected to play a major role in the discovery of the first unambiguous sources of cosmic-rays. With completion in 2011, the IceCube neutrino detector constitutes the most sensitive instrument to sources of high energy neutrinos. Its performance and discovery potential are usually given in the energy range above a few TeV, in order to achieve the best signal to noise for sources following an E^-2 spectrum without an energy cutoff up to at least 1 PeV. However, given the present understanding and multiwavelength picture of our galaxy, we can expect that galactic sources of high energy neutrinos show significant deviations from the E^-2, no cutoff approximation. The common data analysis are therefore not optimal for such galactic scenarios, requiring exposure times of the order of several years, even a decade, to reach a level of sensitivity at which a possible detection starts to be plausible. The main goal of this thesis is to improve the discovery potential of IceCube to galactic sources of high energy neutrinos, aiming to a better understanding of the high energy processes taking place in our galaxy. In order to fulfill this goal, I follow two lines of action: (1) to increase the detection capabilities of IceCube for neutrinos in the energy range between 100 GeV < E < 1 TeV; and (2) to develop a search method which is able to reduce the minimum detectable flux per point source. The improvement of the IceCube performance at energies below 1 TeV is achieved with the use of the combined detector configuration IceCube 22 strings plus AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array). The data processing scheme is designed in order to keep as many good low energy events as possible. As a result, this analysis achieved the best sensitivity for sources with neutrino spectra steeper than E^-2 and/or an energy cutoff below 1 PeV. The second goal of this thesis is motivated in order to search efficiently for high energy neutrinos from the Cygnus star forming region of the Galaxy. In order to extend the search beyond a single point source, I developed a method based on two-point analysis to detect, within an extended region, event patterns which might go undetected in conventional point source analysis. The results obtained with this method indicate that the minimum detectable flux per point source is reduced by 26%-59% with respect to standard point source analysis, provided there is more than one point source within the region under study. This method was applied on the Cygnus region of the Galaxy using the data sample obtained with the combined detector IceCube 22 strings plus AMANDA, yielding a significance of 2.3-sigma.

Translation of abstract (German)

Von Hochenergie-Neutrinoteleskopen wird erwartet, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der ersten eindeutigen Quellen kosmischer Strahlung spielen werden. Nach der Fertigstellung 2011 wird der IceCube Neutrinodetektor das sensitivste Instrument für Quellen hochenergetischer Neutrinos sein. Die Leistung und das Entdeckungspotential (discovery potential) des Detektors werden üblicherweise im Energiebereich oberhalb einiger TeV untersucht, um das beste Signal-zu-Rausch-Verhältnis für Quellen mit einem E^-2 Spektrum ohne Cutoff unterhalb 1 PeV oder mehr zu erzielen. Das derzeitige Verständnis der Galaxis und das Bild, das sich unter Einbeziehung verschiedener Wellenlängenbereiche ergibt, legen jedoch signifikante Abweichungen von der Annahme eines E^-2 Spektrums ohne Cutoff nahe. Herkömmliche Datenanalysen sind also für solche galaktische Szenarien nicht optimal und erfordern Detektorlaufzeiten von mehreren Jahren, wenn nicht sogar einem Jahrzehnt, um eine Sensitivität zu erreichen, bei der eine mögliche Entdeckung in greifbare Nähe rückt. Das Hauptanliegen dieser Arbeit besteht in der Verbesserung des discovery potential von IceCube für galaktische Quellen hochenergetischer Neutrinos mit der Zielsetzung eines besseren Verständnisses der Hochenergieprozesse in unserer Galaxie. Zwei Punkte sind für das Erreichen dieses Ziels von Bedeutung: (1) die Nachweisfähigkeit von IceCube im Energiebereich von 100 GeV < E < 1 TeV zu verbessern und (2) eine Methode zu entwickeln, die den minimal nachweisbaren Fluss pro Punktquelle herabsetzt. Die Verbesserung der Detektorleistung bei Energien unterhalb 1 TeV wird erreicht, indem der IceCube Detektor mit 22 Strings sowie der AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) Detektor zu einer Detektorkonfiguration kombiniert werden. Die Datenverarbeitung wurde konzipiert, um so viele gute niederenergetische Ereignisse wie möglich im Datensatz zu belassen. Dadurch erreicht diese Analyse die beste Sensitivität für Quellen mit Neutrinospektren steiler als E^-2 und/oder einem Cutoff unterhalb 1 PeV. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die effiziente Suche nach hochenergetischen Neutrinos aus der Sternbildungsregion im Sternbild Cygnus in der Galaxis. Um die Suche auf mehr als eine Punktquelle auszuweiten, entwickelte ich eine Methode - basierend auf einer Zwei-Punkt Analyse - um Ereignismuster in einer ausgedehnten Region nachzuweisen, welche in konventionellen Punktquellen-Analysen unentdeckt bleiben könnten. Die Ergebnisse dieser Methode zeigen, dass der minimale nachweisbare Fluss pro Punktquelle um 26%-59% bezüglich einer Standard-Punktquellen-Analyse reduziert wird, vorausgesetzt es ist mehr als eine Punktquelle in der untersuchten Region vorhanden. Diese Methode wurde auf die Cygnus-Region der Galaxis angewandt, unter Verwendung des Datensatzes, der sich aus dem vereinten Detektor IceCube 22 Strings plus AMANDA ergibt, und liefert eine Signifikanz von 2.3-sigma.