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Authors: Steuer, Anna Katharina
Title: Cascade type identification in IceCube and an application in a search for new physics
Online publication date: 4-Jul-2018
Language: english
Abstract: In 2013, the first detection of an astrophysical neutrino flux by the IceCube neutrino telescope marked a tremendous breakthrough in the field of neutrino astronomy. Since then, dedicated analyses try to extract information on the origin of the cosmic messengers from the accumulating data. Efforts to trace the neutrino flux back to a dominant source class have not yet succeeded, leaving many questions on the nature of astrophysical particle accelerators unanswered and providing room for alternative explanations for the origin of IceCube's high energy events. Besides the spatial distribution, the flavor composition of the astrophysical neutrino flux plays a key role in unraveling its production mechanisms. While the long tracks of Cherenkov light generated in muon neutrino charged current interactions can be well discriminated from the spherical shower - or cascade - pattern produced in all other neutrino interactions, an identification of the cascade-inducing neutrino flavor and interaction channel has yet to be accomplished. In this thesis, a method utilizing the delayed light from shower-internal neutron capture events - the so-called neutron echo - has been developed, experimentally implemented and applied to determine the shower type composition of a high energy cascade sample. This is the first time it has ever been attempted to classify the shower type of high energy cascades in IceCube or any other neutrino telescope and the results of this work show great promise. Since the nature of the showers contained in IceCube's well-known High Energy Starting Event (HESE) sample has not been assessed before, an exotic origin could not be excluded. In this work, the newly developed method is used to probe two boosted dark matter scenarios, which predict an either solely neutral current- or electron neutrino charged current-like cascade sample. Although the so far small sample size limits the power of the analysis, a Bayesian evaluation of the results already disfavors the probed models at more than 90% credible level.
Der erste Nachweis eines astrophysikalischen Neutrinoflusses durch das IceCube Neutrinoteleskop im Jahr 2013 markierte einen enormen Durchbruch im Bereich der Neutrino-Astronomie. Seither versuchen gezielte Analysen Informationen über den Ursprung der kosmischen Botenteilchen aus den sich anhäufenden Daten zu extrahieren. Der Neutrinofluss konnte bislang keiner dominierenden Klasse an Quellen zugeordnet werden. Aus diesem Grund bleibt eine Vielzahl an Fragen über die Beschaffenheit astrophysikalischer Teilchenbeschleuniger unbeantwortet und es wird Raum für alternative Erklärungen für den Ursprung der hochenergetischen Ereignisse in IceCube geschaffen. Neben der räumlichen Verteilung spielt die Flavor-Zusammensetzung des astrophysikalischen Neutrinoflusses eine Schlüsselrolle bei der Erforschung seiner Produktionsmechanismen. Während die langen Spuren an Cherenkov-Licht, die in Muonneutrino-Wechselwirkungen über den geladenen Strom entstehen, gut von dem kugelförmigen Schauer- oder Kaskaden-Muster, das allen anderen Neutrino-Wechselwirkungen folgt, unterschieden werden können, steht die Identifikation des Kaskaden-induzierenden Neutrinoflavors und Wechselwirkungskanal noch aus. In dieser Doktorarbeit wurde eine Methode, die das verzögerte Licht von Schauer-internen Neutroneneinfängen - das sogenannte Neutronenecho - benutzt, entwickelt, experimentell umgesetzt und angewendet, um die Schauertyp-Zusammensetzung eines hochenergetischen Kaskaden Datensatzes zu bestimmen. Dies ist der bisher erste Versuch, den Schauertyp hochenergetischer Kaskaden in IceCube oder einem anderen Neutrinoteleskop zu klassifizieren, und die Resultate dieser Arbeit sind vielversprechend. Da die Art der Schauer in IceCubes bekanntem High Energy Starting Event (HESE) Datensatz bislang nicht bestimmt wurde, konnte ein exotischer Ursprung nicht ausgeschlossen werden. In dieser Arbeit wird die neu entwickelte Methode genutzt, um zwei Boosted Dark Matter Szenarios zu testen, die einen rein neutralen Strom- oder Elektronneutrino-artigen Kaskaden Datensatz vorhersagen. Obwohl die bislang geringe Statistik das Potential der Analyse einschränkt, kann eine Bayesische Auswertung der Resultate die getesteten Modelle bereits oberhalb des 90%-Glaubwürdigkeitsbereiches ausschließen.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4463
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xi, 171 Seiten
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