Дисертації з теми "Point source search"

Deutsche Zusammenfassung Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich einerseits mit der Suche nach atmosphärischen Myonneutrinos und andererseits mit der Suche nach extraterrestrischen Neutrinopunktquellen in dem Datensatz, welcher im Jahre 1997 durch den AMANDA-Detektor aufgenommenen wurde. In dieser Arbeit wird zunächst die kosmische Strahlung eingeführt. Die Suche nach den Quellen dieser Strahlung wurde bisher insbesondere mit Hilfe der geladenen kosmischen Strahlung selber, sowie mit Hilfe von Cherenkovteleskopen für Gammastrahlen durchgeführt. Die mit diesen Techniken gewonnenen Erkenntnisse lassen bisher jedoch noch keine eindeutigen Schlüsse über die Quellen der geladenen kosmischen Strahlung zu. Dies motiviert den Versuch, mit Hilfe der Neutrinoastronomie ein neues Fenster zu den Quellen zu eröffnen. Es gibt theoretische Modelle für verschiedene potentielle Neutrinoquellen. Szenarien, in denen massive Teilchen zerfallen und die Zerfallsprodukte ihre kinetische Energie aus der freigewordenen Ruhemasse gewinnen, spielen in dieser Arbeit eine untergeordnete Rolle. Ausführlicher dargestellt werden die konventionellen Modelle, in denen geladene Teilchen mit Hilfe der sogenannten Fermibeschleunigung in astrophysikalischen Schockwellen und/oder Magnetfeldern beschleunigt werden. Hochenergetische Neutrinos entstehen nur bei Quellen, welche Hadronen beschleunigen. Insbesondere die Klasse der aktiven galaktischen Kerne (AGNs) sind hierbei interessant. Die vor einigen Jahren entwickelten vereinheitlichten AGN-Schemata sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg, diese Objekte zu verstehen. Andere potentielle Quellen sind Supernovae und ihre überreste, Mikroquasare, sowie die Quellen hochintensiver Gammastrahlenausbrüche (GRBs). Hoch spekulativ sind Quellen, welche im elektromagnetischen Spektrum unsichtbar sind, oder auch bisher vollkommen unerwartete Quellen. Unabhängig von der genauen Natur möglicher Neutrinoquellen müssen für die Beschreibung der von ihnen ausgesendeten Neutrinoflüsse Oszillationseffekte zwischen den verschiedenen Neutrinofamilien berücksichtigt werden. Der Nachweis der hochenergetischen Neutrinos soll mit dem AMANDA-Detektor oder ähnlichen Teleskopen erfolgen. Das derzeitige AMANDA-Teleskop AMANDA-II wurde in den Jahren 1995 bis 2000 aufgebaut. Es basiert auf dem Nachweis von neutrinoinduzierten Myonen mit Hilfe des Cherenkoveffektes. Das Cherenkovlicht wird hierbei von, in einem Gitter angeordneten, großen Sekundärelektronenvervielfachern registriert. Die gewonnene Zeitinformation erlaubt eine Richtungsrekonstruktion. Das Charakteristikum für ein Neutrinoereignis ist ein aufwärts laufendes Myon, da das Neutrino das einzige bekannte Teilchen ist, welches die Erde durchqueren und ein aufwärts laufendes Myon erzeugen kann. Die vorliegende Arbeit untersucht Daten, die mit Hilfe des AMANDA-B10-Detektors im Jahre 1997 genommen wurden. Die Daten bestehen aus etwa $10^9$ atmosphärischen Myon- und etwa 5000 atmosphärischen Neutrinoereignissen. Um die experimentell gewonnenen Daten analysieren zu können, wird der Vergleich zu simulierten Daten benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Flüsse atmosphärischer Myonen mit den Programmen basiev und Corsika, Flüsse neutrinoinduzierter Myonen mit nusim und nu2mu generiert. Während eine hohe Zahl von neutrinoinduzierten Myonen simuliert werden konnte, blieb die Zahl der simulierten atmosphärischen Myonen weit hinter der Zahl der experimentell gemessenen zurück. Die Propagation der simulierten Myonen sowie die Detektorsimulation erfolgte mit den Programmen mudedx bzw. amasim. Die Zeit-, Orts- und Amplitudeninformationen der gemessenen -- wie auch der simulierten -- Daten wurden anschließend kalibriert. Das erste Ziel der Analyse war die Extrahierung eines Satzes atmosphärischer Neutrinos und ein Verständnis der absoluten Sensitivität des Detektors. Die hierfür notwendige Prozessierung der Daten erfolgte in mehreren Schritten. Dabei wechselten sich immer exaktere (aber auch immer langsamere) Richtungsrekonstruktionen mit immer strengeren Qualitäts- und Winkelschnitten zur Datenreduktion ab. Die Rekonstruktionen bestanden sowohl aus schnellen analytischen Richtungsapproximationen, wie auch aus solchen, die auf langsamen Minimierung von Likelihoodfunktionen basierten. Die Schnitte wurden auf topologische Grössen, wie auch auf Parameter, welche aus der Rekonstruktion gewonnen wurden, angewandt. Die Schnitte waren notwendig, um Neutrinoereignisse aus dem weit zahlreicheren Untergrund atmosphärischer Myonenereignisse herauszufiltern. Es wurden zwei stark reduzierte Datensätze ("BG-10" mit 223 Ereignissen und "BG-100" mit 369 Ereignissen) aus den gemessenen Daten extrahiert. Es konnte gezeigt werden, dass hiervon ca. 15 bzw. 100 Ereignisse durch atmosphärische Myonen bedingt waren. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinos überein, wobei die Erwartung eine Unsicherheit von bis zu 63% aufweist. Mit dem BG-10 Datensatz war somit das erste Ziel der Analyse erfüllt. Der BG-100 Datensatz sollte dem zweiten Ziel dieser Arbeit dienen: der Suche nach extraterrestrischen Neutrinoquellen. Für dieses zweite Ziel musste zunächst mit der effektiven Fläche} ein Maß für die Sensitivität des Detektors bezüglich extraterrestrischer Neutrinos eingeführt werden. Anschließend wurde die Güte der Richtungsrekonstruktion bestimmt. Hiermit konnte die optimale Grösse der zu benutzenden Suchfenster festgelegt werden. Für diese Suchfenster wurde dann die Effizienz der Rekonstruktion bestimmt. Die Effizienz ist ein Maß für den Anteil der Neutrinoereignisse, für den die Rekonstruktion korrekt bestimmt, aus welchem Suchfenster sie stammen. Nach diesen vorbereitenden Untersuchungen konnte die Quellsuche beginnen. Für diese Suche waren nun sowohl atmosphärische Myonereignisse, als auch Ereignisse, die durch atmosphärische Neutrinos hervorgerufen wurden, Untergrund. Für die Suche wurden drei verschiedene Strategien angewendet. Zunächst wurde ein Netz aus 374 aneinander angrenzenden Suchfenstern konstruiert. Basierend auf der erwarteten Anzahl von Untergrundereignissen für jedes Suchfenster wurden Wahrscheinlichkeiten berechnet, dass die Ereignisse ausschließlich Untergrundereignisse sind. Durch die große Zahl an Suchfenstern gab es einige Fenster, bei denen diese Wahrscheinlichkeit recht gering war. Insgesamt jedoch gab es keinen signifikanten Hinweis darauf, dass die Messung nicht auschließlich durch Untergrund erklärt werden kann. Die zweite Strategie bestand in dem Versuch, mit Hilfe einer Clusteranalyse Punktquellen zu finden. Auch hier wurden keine Hinweise auf Punktquellen gefunden. Schließlich wurde in Richtung von 62 vorselektierten potentiellen Quellen nach Ereignisüberschüssen gesucht -- ebenfalls ohne ein positives Ergebnis. Daraufhin wurden obere Flussgrenzen abgeleitet. Diese Grenzen wurden sowohl richtungsunabhängig als auch für die zuvor selektierten potentiellen Quellen berechnet. In beiden Fällen wurde dabei für das Quellspektrum ein spektraler Index gamma = -2 angenommen. Für Neutrinoenergien E > 10 GeV und Deklinationen > 33 Grad wurden integral folgende globale, obere Flussgrenzen berechnet: Myonfluss: 1.41 * 10^-14 cm^-2 s-1 und Neutrinofluss: 1.65 * 10^-7 cm^-2 s^-1 . Nach der "Eichung" am Fluss atmosphärischer Neutrinos konnte die systematische Unsicherheit auf diese Grenzen zu 46% (systematisch) plus 7% (statistisch) abgeschätzt werden. Für die 62 ausgewählten Quellen wurden individuelle Flussgrenzen berechnet. Diese waren im Durchschnitt etwa einen Faktor drei besser als die integralen Grenzen für den entsprechenden Deklinationsbereich. Bei 48 potentiellen Quellen waren dies sowohl die ersten Grenzen auf ihren Neutrino- als auch die ersten Grenzen auf ihren neutrinoinduzierten Myonenfluss. Für eine weitere Quelle konnte erstmals eine Grenzen auf den Neutrinofluss abgeleitet werden. Bei den 14 restlichen Quellen konnten in fünf Fällen beide bisher publizierten Grenzen verbessert werden, in zwei weiteren zumindest die Grenze auf den Neutrinofluss. Im Anhang werden Daten bereitgestellt, mit denen die errechneten Grenzen auch in Grenzen für andere spektrale Indizes umgerechnet oder auch Grenzen für weitere Quellen abgeleitet werden können.
Abstract The young field of high energy neutrino astronomy can be motivated by the search for the origin of the charged cosmic rays. Large astrophysical objects like AGNs or supernova remnants are candidates to accelerate hadrons which then can interact to eventually produce high energy neutrinos. Neutrino-induced muons can be detected via their emission of Cherenkov light in large neutrino telescopes like AMANDA. More than 10^9 atmospheric muon events and approximately 5000 atmospheric neutrino events were registered by AMANDA-B10 in 1997. Out of these, 223 atmospheric neutrino candidate events have been extracted. This data set contains approximately 15 background events. It allows to confirm the expected sensitivity of the detector towards neutrino events. A second set containing 369 events (approximately 270 atmospheric neutrino events and 100 atmospheric muon events) was used to search for extraterrestrial neutrino point sources. Neither a binned search, nor a cluster search, nor a search for preselected sources gave indications for the existence of a strong neutrino point source. Based on this result, flux limits were derived. Assuming E^-2 neutrino spectra, typical flux limits for selected sources of the order of 10^-14 cm^-2 s^-1 for muon fluxes and 10^-7 cm^-2 s^-1 for neutrino fluxes have been obtained.

English Version: When humans started looking out at a starry night, astronomy was born. Photons emitted by stars travel up to sometimes billions of light years to reach our eyes, and by studying the properties of this photon flux we are able to infer properties of the star itself. Instead of photons, the IceCube Observatory, located at South Pole, aims at detecting neutrinos and hopes to shed some light on the still unsolved mystery of cosmic-ray acceleration and production mechanisms, and on the most energetic phenomena of the Universe. At the time of this writing, IceCube has proven the existence of an astrophysical neutrino flux with a significance exceeding seven sigmas. Nevertheless, the observed astrophysical neutrino flux shows no significant directional clustering nor a clear association with any known source class so far. Also the latest results given by IceCube’s point source analysis show no significant clustering as well. It is therefore important to widen the search to different source topologies to maximize the discovery potential. In the first part of this work we present an extended source analysis with seven years of IceCube data, adding three years of data to the previous published work and implementing a novel likelihood formulation. Since the extensions of any potential sources are not known a priori, five different extensions have been considered, from 1° to 5°. No significant clustering is observed in any of the maps. The ability of IceCube to establish neutrino astronomy by finding neutrino sources is limited by the number of cosmic neutrinos measured. Despite the aforementioned discovery of an astrophysical flux, detailed spectral studies and searches for specific source locations in this signal remain a challenge with the event sample sizes available from the IceCube instrument. Therefore, a considerable expansion of the current detector, IceCube Gen2, is promoted, which includes the instrumentation of a 10 km3 volume, able to deliver substantial increases in the astrophysical neutrino sample for all flavors. Not only the hardware will be upgraded, but many systems will undergo improvements, such as communications and timing infrastructures. A new communication system has been investigated and is presented in the second part of this document. Binary Phase Shift Keying (BPSK), the simplest digital modulation technique, has been studied as possible communication technique for IceCube Gen2.
French Version: Quand les humains ont commencé à regarder le ciel étoilé, l’astronomie est née. Les photons émis par les étoiles voyagent parfois des milliards d’années lumière avant d’atteindre nos yeux, et c’est grâce à l’étude de ce flux de photons que l’on peut déduire les propriétés des étoiles mêmes. Au lieu des photons, l’Observatoire IceCube, situé au Pôle Sud, a pour but de détecter des neutrinos :il espère éclairer le mystère encore non résolu de l’accéleration et des mécanismes de production des rayons cosmiques, ainsi que des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers. Au moment où ce document a été rédigé, IceCube a démontré l’existence d’un flux de neutrinos astrophysiques avec une signification statistique excédant sept sigmas. Cependant, le flux de neutrinos astrophysiques observé ne montre aucun regroupement directionnel significatif ni une évidence d’association avec aucune source connue à l’heure actuelle. De plus, les derniers résultats fournis par les analyses de sources ponctuelles de la collaboration IceCube ne montrent non plus aucun regroupement. Il est donc important d’étendre ces recherches vers des typologies de sources différentes pour maximiser le potentiel de son découverte. Dans la première partie de ce travail nous présentons une analyse de source étendue basée sur sept années de données d’IceCube, ce qui rajoute trois ans de données au travail précédemment publié tout en mettant en oeuvre une nouvelle formulation de maximum de vraisem- blance. Comme les extensions de sources potentielles ne sont pas connues à priori, cinq extensions différentes ont été considérées, de 1° à 5°. Aucun regroupement significatif n’a été observé sur aucune des cartes. La capacité d’IceCube de consolider l’astronomie neutrino en découvrant des sources de neutrinos est limitée par le nombre de neutrinos cosmiques mesuré. Malgré la découverte susmentionnée d’un flux astrophysique, les études détaillées de spectre ainsi que les recherches de sources spécifiques pour ce type de signal demeurent un défi, à cause de la limitation de taille disponible des échantillons avec l’instrument IceCube. Par conséquent, une expansion considérable du détecteur actuel, IceCube Gen2, est promue :elle inclut l’instrumentation d’un volume de 10 km3, apte à fournir une augmentation importante des échantillons de neutrinos de toutes les saveurs. Non seulement le hardware sera mis à niveau, mais de nombreux autres systèmes subiront des améliorations, comme les infrastructures de communication et de timing. Un nouveau système de communication a été étudié et est présenté dans la deuxième partie de ce document. Le Binary Phase Shift Keying (BPSK), la technique de modulation numérique la plus simple, a été étudiée comme technique potentielle pour IceCube Gen2.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Galaktische und extra-galaktische Objekte sind in der Lage geladene Teilchen (die kosmische Strahlung) zu sehr hohen Energien zu beschleunigen. Allerdings sind noch viele Fragen bezüglich dieser Objekte und der Beschleunigungsmechanismen offen. Sowohl Gammastrahlung als auch Neutrinos werden von den Quellen kosmischer Strahlung erwartet. Ihr Nachweis ermöglicht die Studie dieser kosmischen Teilchenbeschleuniger. Gammastrahlung wurde von galaktischen und extra-galaktischen Objekten beobachtet. Für viele dieser Objekte ist es jedoch nicht eindeutig ob diese Gammastrahlung ein Resultat der Beschleunigung kosmischer Strahlen ist. Für Neutrinos besteht diese Zweideutigkeit nicht, sie sind eindeutige Spuren der Beschleunigung kosmischer Strahlen. Der Südhimmel beheimatet viele galaktische Objekte von denen Gammastrahlung im GeV und TeV Bereich beobachtet wird. Die Detektion von Neutrinos wäre ein Beweis für die Beschleunigung kosmischer Strahlung. Der Nachweis dieser Neutrinos mit IceCube wird durch den großen Untergrund von atmosphärischen Myonen erschwert. Die hier verwendete Analyse ist auf die Selektion von Myonspuren aus Wechselwirkungen von Myonneutrinos im Detektorvolumen spezialisiert. Energieverlust und Richtung der resultierenden Myonspur wird rekonstruiert. Diese Informationen werden verwendet um nach potentiellen Quellen astrophysikalischer Neutrino im Rahmen einer ungebinnten Likelihoodanalyse zu suchen. Daten die zwischen 2011 und 2015 mit IceCube genommen wurden werden für diese Analyse verwendet. Der Fokus liegt auf Neutrinos mit Energien zwischen ein paar TeV und 100 TeV. In diesem Energiebereich wird die Sensitivität für die Detektion einer Neutrinopunktquelle um einen Faktor zwei (oder besser) verbessert. Die Resultate für eine Liste von 96 Quellkandidaten und für eine offene Suche am gesamten Südhimmel werden präsentiert. Es wurde keine signifikante Abweichung von der Untergrundhypothese gefunden. Daraus resultieren Limitationen für Neutrinoemissionen.
There are accelerators in the universe that can accelerate charged particles (cosmic rays) to very high energies. Many questions regarding these accelerators are still open. Gamma rays and neutrinos are particles expected from sites of cosmic ray acceleration and can be used to study the environment and acceleration mechanisms of these sites. While sources for both galactic and extra-galactic gamma rays have been observed, it is often unclear whether these gamma rays are by-products of cosmic ray acceleration. This ambiguity does not exist for neutrinos. An astrophysical neutrino flux has been measured by the IceCube detector. Single sources have not been resolved yet. The part of the sky visible from the southern hemisphere hosts many galactic sources observed in GeV and TeV gamma-rays. Detection of neutrinos from these sources would identify them as acceleration sites and lead to a better understanding of the environment of the acceleration sites and the acceleration mechanisms. However, this is difficult due to the vast background of atmospheric muons also detected in the IceCube detector. For this thesis, a data selection was developed that reduces this background by using parts of the detector as veto. This selection focuses on the selection of muon-tracks from muon-neutrino interactions inside the detector volume. The direction and the energy-profile of these tracks can be reconstructed. This information is used to search for potential sources using an unbinned likelihood method. This analysis uses data taken between 2011 and 2015. In contrast to earlier IceCube analyses this analysis is optimized for energies between a few TeV and 100 TeV and improves the sensitivity of the detector for a point-like source by factor of two (or better) in this energy range. Results for a list of 96 sources observed in TeV gamma-rays and a sky-scan are presented. No significant overfluctuation has been observed and limits on the neutrino emission of the sources are given.

Für astrophysikalische Quellen, z.B. aktive galaktische Kerne, werden hochenergetische Neutrinoflüsse vorhergesagt. Neutrinos und Gammastrahlen werden in hadronischen Prozessen erzeugt, für die Protonen auf hohe Energien beschleunigt werden müssen. Da Neutrinos nur schwach wechselwirken und nicht von Magnetfeldern abgelenkt werden können, bleiben Flussstärken und ihre Richtung erhalten. IceCube, ein Kubikkilometer-Detektor der sich am Südpol befindet, kann solche Neutrinos nachweisen. In dieser Arbeit wurden Daten zweier Teilkonfigurationen IceCubes (22 und 40 Trossen) ausgewertet. Die Daten, die zwischen 2007 und 2009 gesammelt wurden, bestehen hauptsächlich aus atmosphärischen Myon-Neutrinos, die im Nordhimmel erzeugt wurden und hochenergetischen atmosphärischen Myonen aus dem Südhimmel. Eine zeitunabhängige Analyse, die nach Neutrino-Punktquellen im Nordhimmel sucht, wurde mit einem sensitivitäts-optimierten Datensatz von IceCube-22 durchgeführt. Die ganze Hemisphäre und eine Liste ausgewählter Quellen wurden analysiert, wobei kein Hinweis auf extraterrestrische Neutrino-Signale gefunden wurde. Um das Entdeckungspotenzial für eine variable Quelle zu erhöhen, wurde eine nicht-getriggerte zeitabhängige Analyse entwickelt. Diese Suche ist durch Neutrino-Photon-Korrelationen und Gammastrahlung-Ausbrüche kosmischer Objekte motiviert, jedoch wurden nur Neutrino-Daten verwendet. Ein grosser Bereich möglicher Strahlungsausbruchsdauer wurde abgedeckt. Die gebinnte Methode wurde zu einer ungebinnten Likelihood-Methode erweitert, so dass die Ergebnisse um 5-25% verbessert werden konnten. Auswahlkriterien für eine Liste zeitlich veränderlicher astrophysikalischer Quellen vom ganzen Himmel wurden für IceCube-22 und IceCube-40 entwickelt. Zum ersten Mal wurde eine zeitabhängige Suchmethode im Südhimmel benutzt. Es konnten keine Ereignisüberschüsse über dem Untergrund festgestellt werden. Demzufolge wurden obere Grenzen für Neutrinoflüsse aus diesen Quellen berechnet.
High energy neutrino astronomy relies on the predictions of neutrino fluxes coming from astrophysical objects, for example active galactic nuclei. In these models, neutrinos and gamma-rays are produced in hadronic processes, which require the acceleration of protons to very high energies. Since neutrinos hardly interact and travel towards Earth undeflected by magnetic fields, they can point back to their sources. IceCube, located at the South Pole, is a large volumen detector for high energy neutrinos. In this work, data from two partial configurations of IceCube (22 and 40 strings) are analyzed. The data cover 651 days, from 2007 to 2009, and consist mostly of atmospheric muon neutrinos in the Northern sky and high energy atmospheric muons in the Southern sky. A time integrated search for neutrino point sources in the Northern sky was developed and applied to an event sample obtained for the best sensitivity, with IceCube 22-string. The search was performed on pre-selected sources and the whole hemisphere was scanned. No evidence of a neutrino signal was found. In order to enhance the flare detection probability, an untriggered time dependent search that looks for neutrino events clustering in time from specific sources in the entire sky was developed. This search was motivated by neutrino-photon correlations and the observations of flaring objects in gamma-rays, but focuses only on the neutrino data, covering a wide range of possible flare durations. The search method was expanded from a binned approach to a newly developed unbinned likelihood method, improving the results by 5-25%. Moreover, for the first time the Southern sky was analyzed with a time dependent method. A source selection criteria was developed defining two lists of variable astrophysical sources, for IceCube 22 and 40-string. The results were compatible with background fluctuations for all sources tested. Therefore, upper limits on the neutrino fluence from these sources are presented.

Neutrinos are the ideal cosmic messengers, and can be used to explore the most powerful accelerators in the Universe, in particular the mechanisms for producing and accelerating cosmic rays to incredible energies. By studying clustering of neutrino candidate events in the IceCube detector we can discover sites of hadronic acceleration. We present results on searches for point-like sources of astrophysical neutrinos located in the Southern hemisphere, at energies between 100 GeV and a few TeV. The data were collected during the first year of the completed 86-string detector, corresponding to a detector livetime of 329 days. The event selection focuses on identifying events starting inside the instrumented volume, utilizing several advanced veto techniques, successfully reducing the large background of atmospheric muons. An unbinned maximum likelihood method is used to search for clustering of neutrino-like events. We perform a search in the full Southern hemisphere and a dedicated search using a catalog of 96 pre-defined known gamma-ray emitting sources seen in ground-based telescopes. No evidence of neutrino emission from point-like sources is found. The hottest spot is located at R.A. 305.2° and Dec. -8.5°, with a post-trial p-value of 88.1%. The most significant source in the a priori list is QSO 2022-077 with a post-trial p-value of 14.8%. In the absence of evidence for a signal, we calculate upper limits on the flux of muon-neutrinos for a range of spectra. For an unbroken E-2 neutrino spectrum, the observed limits are between 2.8 and 9.4×10-10 TeV cm-2 s-1, while for an E-2 neutrino spectrum with an exponential cut-off at 10 TeV, the observed limits are between 0.6 and 3.6×10-9 TeV cm-2 s-1.
IceCube

A search for cosmic point sources of neutrinos has been performed using data taken in 1999 with the AMANDA-B10 neutrino telescope.

This work describes methods for signal and background separation and the statistical analysis of the final data sample. In particular, the multivariate method Support Vector Machines has been applied to achieve good background rejection while at the same time retaining high signal efficiency.

A grid search covering the complete northern hemisphere revealed no statistical significant excess of events over the expected background from mis-reconstructed cosmic ray induced muons and muons induced by atmospheric neutrinos. Thus, no cosmic point sources of neutrinos have been detected. Upper limits on the neutrino flux for each cell of the grid are presented.

Twenty potential sources of neutrinos chosen among three classes of astronomical objects (Blazars, Super Nova Remnants and Microquasars) have been preselected. Upper Limits on the flux of cosmic neutrinos from those are presented.

The presence of systematic uncertainties makes the calculation of confidence limits an intricate problem. A method is presented which makes it possible to include these uncertainties into the frequentist construction of confidence intervals. Statistical properties of the presented method have been studied.

Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine Möglichkeit, astrophysikalische Teilchenbeschleuniger als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifizieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung der Tscherenkow-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die zwischen 2007 und 2008 mit IceCube, dem größten Neutrinoteleskop dieser Art, gesammelt wurden. Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre beschränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden, um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird gezeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Selektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Energien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren. Zum Nachweis richtungsabhängiger Neutrinosignale wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt. Modellvorhersagen für Aktive Galaktische Kerne dienten als Grundlage für separate Tests anhand einer Liste von Quellkandidaten und mittels einer zeitabhängigen Suche nach kurzen Neutrinoemissionen vom Blazar 3C279. Es konnten keine signifikanten Ereignisüberschüsse über dem Untergrund beobachtet werden. Daraus leiten sich die ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien. Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwischen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschauern, veröffentlicht durch das HiRes Experiment und das Pierre Auger Observatorium, dienten zur Bestimmung solcher Koinzidenzen. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen.
Searching for point-like neutrino signals provides a chance of identifying astrophysical particle accelerators as sources of cosmic rays. An established approach to realise high energy neutrino astronomy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks in subsurface detectors. Presented here is an analysis based on data taken between 2007 and 2008 with IceCube, the largest of these neutrino telescopes. Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemisphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates that the region above the horizon can be included by suppressing the background through an energy-sensitive event selection. The approach improves the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all due to absorption of neutrinos from below the horizon. Both celestial hemispheres were scanned to identify neutrino fluxes from individual directions. Based on model predictions for Active Galactic Nuclei, separate tests were performed by compiling a list of specific neutrino source candidates and by searching for short neutrino flares from the blazar 3C279. No significant excesses above the atmospheric background were found. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For certain source candidates, these limits provide the best constraints on models predicting neutrinos above PeV energies. Based on the same event sample, a search for correlations between neutrinos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival directions of air showers, reported by the HiRes experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to determine such coincidences. The result of this study is compatible with the background hypothesis.

We apply the Jansson-Farrar JF12 magnetic field model in the context of point source searches by correlating the Telescope Array ultrahigh energy cosmic ray data and the IceCube-40 neutrino candidates, as well as other magnetic field hypotheses. Our field hypotheses are: no magnetic field, the JF12 field considering only the regular component, the JF12 full magnetic field, which is a combination of regular and random field components, and the standard turbulent magnetic field used in previous correlation analyses. As expected from a neutrino sample such as IceCube-40, consistent with atmospheric neutrinos, we have found no significant correlation signal in all the cases. Therefore, this paper is mainly devoted to the comparison of the effect of the different magnetic field hypotheses on the minimum neutrino source flux strength required for a 5σ discovery and the derived 90% C.L. upper limits. We also incorporate in our comparison the cases of different power law indices α= 2.2, α=2.5 for the neutrino point source flux. The differences in the 5σ discovery flux for our magnetic field hypotheses is ∼1%–50%, being the maximum difference with the regular JF12 field and standard turbulent field models, being the standard turbulent higher than the regular one, while the minimum is between the no magnetic field and regular JF12 field. Considering the current flux upper limits, we find that IceCube requires a lifetime ≳5 years to observe neutrino-UHECR correlation signals. Our analysis for different power law indices yielded the same relative behavior between different magnetic field models.
Tesis

High Energy Neutrino Astronomy is a new field that has the potential to solve the mystery of the origin of cosmic ray particles, the highest energy particles that have been observed. The IceCube Neutrino Observatory has recently discovered the existence of a high energy astrophysical neutrino flux. We are able to calculate for our "track-like" sub-population of events a directional origin to within a square degree, yet it remains difficult to establish whether these neutrinos come from bright distinguishable sources or a sea of individual weak neutrino producers. The current goal of neutrino point source analyses is the observation of a bright neutrino source above expected background rates of neutrinos, in our case both from a uniform distribution of astrophysical neutrino sources and background neutrino events produced in cosmic ray interactions with our own atmosphere. This thesis presents a new form of point source analysis that tests the data under the model of the combination of multiple background hypotheses and a single point source hypothesis, where the predicted background distributions can be produced through simulation. We apply this analysis to the High Energy Starting Event sample produced by IceCube, and show how this analysis differs to previous analyses on these events. We find that the fit using a background in the likelihood that does not match the distribution of the events can result in a bias in the fitted strength of a point source, and that the relative power of the analysis compared to the previous point source analysis can depend on the point source location, where the power is seen to be comparable in the southern sky but improved in the northern sky. Our results from applying our new form of point source analysis to the data do not show strong evidence for a point source hypothesis, with p-values of 0.468 for all events in our sample and 0.922 for a subset of shower topology events in our sample.
Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Physical Sciences, 2018