Echtzeitsuche nach Neutrinoausbrüchen von Supernovae mit dem AMANDA-II-Detektor
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Abstract
Der AMANDA-II Detektor ist primär
für den richtungsaufgelösten Nachweis
hochenergetischer Neutrinos konzipiert.
Trotzdem können auch niederenergetische Neutrinoausbrüche,
wie sie von Supernovae erwartet werden,
mit hoher Signifikanz nachgewiesen werden,
sofern sie innerhalb der Milchstraße stattfinden.
Die experimentelle Signatur im Detektor ist
ein kollektiver Anstieg der Rauschraten aller optischen Module.
Zur Abschätzung der Stärke des erwarteten Signals wurden
theoretische Modelle und Simulationen zu Supernovae
und experimentelle Daten der Supernova SN1987A studiert.
Außerdem wurden die Sensitivitäten der optischen Module neu bestimmt.
Dazu mussten für den Fall
des südpolaren Eises
die Energieverluste geladener Teilchen untersucht
und eine Simulation der Propagation von Photonen entwickelt werden.
Schließlich konnte das im Kamiokande-II Detektor
gemessene Signal
auf die Verhältnisse des AMANDA-II Detektors skaliert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde
ein Algorithmus zur Echtzeit-Suche nach Signalen von Supernovae
als Teilmodul der Datennahme implementiert.
Dieser beinhaltet diverse Verbesserungen
gegenüber der zuvor
von der AMANDA-Kollaboration verwendeten Version.
Aufgrund einer Optimierung auf Rechengeschwindigkeit
können nun mehrere Echtzeit-Suchen mit verschiedenen Analyse-Zeitbasen
im Rahmen der Datennahme simultan laufen.
Die Disqualifikation optischer Module mit ungeeignetem Verhalten
geschieht in Echtzeit.
Allerdings muss das Verhalten der Module zu diesem Zweck
anhand von gepufferten Daten beurteilt werden.
Dadurch kann die Analyse der Daten der qualifizierten Module
nicht ohne eine
Verzögerung
von etwa 5 Minuten geschehen.
Im Falle einer erkannten Supernova werden die
Daten für die Zeitdauer mehrerer Minuten
zur späteren Auswertung in 10 Millisekunden-Intervallen archiviert.
Da die Daten des Rauschverhaltens der optischen Module
ansonsten in Intervallen von 500 ms zur Verfgung stehen,
ist die Zeitbasis der Analyse
in Einheiten von 500 ms frei wählbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Analysen dieser Art
am Südpol aktiviert:
Eine mit der Zeitbasis der Datennahme von 500 ms,
eine mit der Zeitbasis 4 s und
eine mit der Zeitbasis 10 s.
Dadurch wird die Sensitivität für Signale maximiert,
die eine charakteristische exponentielle Zerfallszeit von 3 s aufweisen
und gleichzeitig eine gute Sensitivität über einen
weiten Bereich exponentieller Zerfallszeiten gewahrt.
Anhand von Daten der Jahre 2000 bis 2003 wurden diese Analysen ausführlich untersucht.
Während die Ergebnisse der Analyse mit t = 500 ms
nicht vollständig
nachvollziehbare Ergebnisse produzierte,
konnten die Resultate der beiden Analysen mit den längeren Zeitbasen durch Simulationen reproduziert und entsprechend gut verstanden werden.
Auf der Grundlage der gemessenen Daten
wurden die erwarteten Signale von Supernovae simuliert.
Aus einem Vergleich zwischen dieser Simulation
den gemessenen Daten der Jahre 2000 bis 2003
und der Simulation des erwarteten statistischen Untergrunds
kann mit einem Konfidenz-Niveau von mindestens 90 % gefolgert werden, dass in der Milchstraße
nicht mehr als 3.2 Supernovae pro Jahr stattfinden.
Zur Identifikation einer Supernova wird ein
Ratenanstieg mit einer Signifikanz von mindestens 7.4 Standardabweichungen verlangt.
Die Anzahl erwarteter Ereignisse aus dem statistischen Untergrund
beträgt auf diesem Niveau weniger als ein Millionstel.
Dennoch wurde ein solches Ereignis gemessen.
Mit der gewählten Signifikanzschwelle
werden 74 % aller möglichen Vorläufer-Sterne
von
Supernovae in der Galaxis überwacht.
In Kombination mit dem letzten von der AMANDA-Kollaboration
veröffentlicheten Ergebnis
ergibt sich sogar eine obere Grenze
von nur 2.6 Supernovae pro Jahr.
Im Rahmen der Echtzeit-Analyse
wird für die kollektive Ratenüberhöhung
eine Signifikanz von mindestens 5.5 Standardabweichungen verlangt,
bevor eine Meldung über die Detektion
eines Supernova-Kandidaten verschickt wird.
Damit liegt der überwachte Anteil Sterne der Galaxis
bei 81 %,
aber auch die Frequenz falscher Alarme steigt auf
bei etwa 2 Ereignissen pro Woche.
Die Alarm-Meldungen werden über ein Iridium-Modem
in die nördliche Hemisphäre übertragen,
und sollen schon bald zu SNEWS beitragen,
dem weltweiten Netzwerk zur Früherkennung von Supernovae.