Heavy neutrinos and rare decays

In dieser Dissertation wird der seltene Zerfall K_L->emu imRahmen eines verallgemeinerten Standardmodells detailliertstudiert. In diesem Prozess bleibt die zu einer gegebenen Familie gehoerende Leptonenzahl nicht erhalten. Deswegenwerden unsere Untersuchungen im Rahmen der SU(2)_L x U(1)_Y-und SU(2)_R x SU(2)_L x U(1)_{B-L}-Modelle mit schwerenMajorana-Neutrinos ausgefuehrt. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit betreffen dieBerechnung des Verzweigungsverhaeltnisses fuer den ZerfallK_L->emu. Im SU(2)_L x U(1)_Y-Modell mit schwerenMajorana-Neutrinos wird eine deutliche Steigerung desVerzweigungsverhaeltnisses gefunden, jedoch liegen dieerhaltenen Ergebnisse um einige Groessenordnungen unter derjetzigen experimentellen Grenze. Benutzt man das gewaehlte,auf der SU(2)_R x SU(2)_L x U(1)_{B-L}$-Eichgruppebasierende Modell mit Links-Rechts-Symmetrie, dann erhoehtdie Anwesenheit der links- und rechtshaendigen Stroeme inden Schleifendiagrammen deutlich den Wert desVerzweigungsverhaeltnisses. Dadurch koennen sich Werte inder Naehe der aktuellen experimentellen Grenze vonB(K_L->emu) < 4.7 x 10^{-12} ergeben. Um unsere Ergebnisse zu untermauern, wird die Frage derEichinvarianz bei diesem Zerfallsprozess auf demEin-Schleifen-Niveau mit besonderer Aufmerksamkeitbehandelt. Ein sogenanntes ,,on-shell skeleton``Renormierungsschema wird benutzt, um die erste vollstaendigeAnalyse der Eichinvarianz fuer den Prozess K_L->emuauszufuehren.

Search for prompt neutrinos with AMANDA-II

A search for prompt neutrinos is performed with an analysis of the atmospheric neutrino data recorded by the AMANDA-II detector at the geographical South Pole in the years 2000-2003. The spectrum is reconstructed and limits on prompt production models spectrum are set according to our measurements.

Supernova neutrinos in AMANDA and IceCube - Monte Carlo development and data analysis

Supernovae are among the most energetic events occurring in the universe and are so far the only verified extrasolar source of neutrinos. As the explosion mechanism is still not well understood, recording a burst of neutrinos from such a stellar explosion would be an important benchmark for particle physics as well as for the core collapse models. The neutrino telescope IceCube is located at the Geographic South Pole and monitors the antarctic glacier for Cherenkov photons. Even though it was conceived for the detection of high energy neutrinos, it is capable of identifying a burst of low energy neutrinos ejected from a supernova in the Milky Way by exploiting the low photomultiplier noise in the antarctic ice and extracting a collective rate increase. A signal Monte Carlo specifically developed for water Cherenkov telescopes is presented. With its help, we will investigate how well IceCube can distinguish between core collapse models and oscillation scenarios. In the second part, nine years of data taken with the IceCube precursor AMANDA will be analyzed. Intensive data cleaning methods will be presented along with a background simulation. From the result, an upper limit on the expected occurrence of supernovae within the Milky Way will be determined.

Ancient Greek harbours used as geo-archives for palaeotsunami research : case studies from Krane (Cefalonia), Lechaion (Gulf of Corinth) and Kyllini (Peloponnese)

Since historical times, coastal areas throughout the eastern Mediterranean are exposed to tsunami hazard. For many decades the knowledge about palaeotsunamis was solely based on historical accounts. However, results from timeline analyses reveal different characteristics affecting the quality of the dataset (i.e. distribution of data, temporal thinning backward of events, local periodization phenomena) that emphasize the fragmentary character of the historical data. As an increasing number of geo-scientific studies give convincing examples of well dated tsunami signatures not reported in catalogues, the non-existing record is a major problem to palaeotsunami research. While the compilation of historical data allows a first approach in the identification of areas vulnerable to tsunamis, it must not be regarded as reliable for hazard assessment. Considering the increasing economic significance of coastal regions (e.g. for mass tourism) and the constantly growing coastal population, our knowledge on the local, regional and supraregional tsunami hazard along Mediterranean coasts has to be improved. For setting up a reliable tsunami risk assessment and developing risk mitigation strategies, it is of major importance (i) to identify areas under risk and (ii) to estimate the intensity and frequency of potential events. This approach is most promising when based on the analysis of palaeotsunami research seeking to detect areas of high palaeotsunami hazard, to calculate recurrence intervals and to document palaeotsunami destructiveness in terms of wave run-up, inundation and long-term coastal change. Within the past few years, geo-scientific studies on palaeotsunami events provided convincing evidence that throughout the Mediterranean ancient harbours were subject to strong tsunami-related disturbance or destruction. Constructed to protect ships from storm and wave activity, harbours provide especially sheltered and quiescent environments and thus turned out to be valuable geo-archives for tsunamigenic high-energy impacts on coastal areas. Directly exposed to the Hellenic Trench and extensive local fault systems, coastal areas in the Ionian Sea and the Gulf of Corinth hold a considerably high risk for tsunami events, respectively.Geo-scientific and geoarcheaological studies carried out in the environs of the ancient harbours of Krane (Cefalonia Island), Lechaion (Corinth, Gulf of Corinth) and Kyllini (western Peloponnese) comprised on-shore and near-shore vibracoring and subsequent sedimentological, geochemical and microfossil analyses of the recovered sediments. Geophysical methods like electrical resistivity tomography and ground penetrating radar were applied in order to detect subsurface structures and to verify stratigraphical patterns derived from vibracores over long distances. The overall geochronological framework of each study area is based on radiocarbon dating of biogenic material and age determination of diagnostic ceramic fragments. Results presented within this study provide distinct evidence of multiple palaeotsunami landfalls for the investigated areas. Tsunami signatures encountered in the environs of Krane, Lechaion and Kyllini include (i) coarse-grained allochthonous marine sediments intersecting silt-dominated quiescent harbour deposits and/or shallow marine environments, (ii) disturbed microfaunal assemblages and/or (iii) distinct geochemical fingerprints as well as (iv) geo-archaeological destruction layers and (v) extensive units of beachrock-type calcarenitic tsunamites. For Krane, geochronological data yielded termini ad or post quem (maximum ages) for tsunami event generations dated to 4150 ± 60 cal BC, ~ 3200 ± 110 cal BC, ~ 650 ± 110 cal BC, and ~ 930 ± 40 cal AD, respectively. Results for Lechaion suggest that the harbour was hit by strong tsunami impacts in the 8th-6th century BC, the 1st-2nd century AD and in the 6th century AD. At Kyllini, the harbour site was affected by tsunami impact in between the late 7th and early 4th cent. BC and between the 4th and 6th cent. AD. In case of Lechaion and Kyllini, the final destruction of the harbour facilities also seems to be related to the tsunami impact. Comparing the tsunami signals obtained for each study areas with geo-scientific data from palaeotsunami events from other sites indicates that the investigated harbour sites represent excellent geo-archives for supra-regional mega-tsunamis.

Stacked searches for high-energy neutrinos from blazars with IceCube

In the year 2013, the detection of a diffuse astrophysical neutrino flux with the IceCube neutrino telescope – constructed at the geographic South Pole – was announced by the IceCube collaboration. However, the origin of these neutrinos is still unknown as no sources have been identified to this day. Promising neutrino source candidates are blazars, which are a subclass of active galactic nuclei with radio jets pointing towards the Earth. In this thesis, the neutrino flux from blazars is tested with a maximum likelihood stacking approach, analyzing the combined emission from uniform groups of objects. The stacking enhances the sensitivity w.r.t. the still unsuccessful single source searches. The analysis utilizes four years of IceCube data including one year from the completed detector. As all results presented in this work are compatible with background, upper limits on the neutrino flux are given. It is shown that, under certain conditions, some hadronic blazar models can be challenged or even rejected. Moreover, the sensitivity of this analysis – and any other future IceCube point source search – was enhanced by the development of a new angular reconstruction method. It is based on a detailed simulation of the photon propagation in the Antarctic ice. The median resolution for muon tracks, induced by high-energy neutrinos, is improved for all neutrino energies above IceCube’s lower threshold at 0.1TeV. By reprocessing the detector data and simulation from the year 2010, it is shown that the new method improves IceCube’s discovery potential by 20% to 30% depending on the declination.

Trend- und Natursport als System

Zusammenfassung: Freizeitaktivitäten wie Mountainbiking, Sportklettern, Drachen- und Gleitschirmfliegen oder Windsur-fen sind relativ neue Erscheinungen der letzten fünfzehn bis fünfundzwanzig Jahre. Ihre Entwicklung und Ausdifferenzierung beschränkt sich vor allem auf Gesellschaften westlich-industrieller Prägung, deren Grundlage ein funktional differenziertes Gesellschaftssystem ist. Mit Hilfe des Beobachtungsin-strumentes der neueren soziologischen Systemtheorie wird zunächst das Aufkommen und die immer fortschreitende Ausdifferenzierung von Trend- und Natursportarten analysiert und gedeutet. Es zeigt sich, daß diese neuen Freizeitaktivitäten über den Zugriff auf die eigene Körperlichkeit in hohem Ma-ße zur Identitätsfindung der Individuen solcher Gesellschaftssysteme beitragen.Aus geographischer Sicht stellt sich die Frage nach der Bedeutung dieser Entwicklung für die Land-schaft. Dabei wird Landschaft explizit nicht als etwas verstanden, daß 'an sich' existiert, sondern als etwas, das 'erlebt' oder 'begriffen', also immer wieder aufs Neue im Auge des Betrachters konstru-iert wird. Für die Sporttreibenden von Trend- und Natursportarten ist der Blick auf die Welt durch ihre Sportart strukturiert. Jedenfalls immer dann, wenn es darum geht, eine Sportstätte für ihre jeweilige Sportausübung auszuwählen. Die Naturlandschaft (oder auch Kulturlandschaft) wird damit zur 'Sportlandschaft'. Der Begriff der 'Landschaft' erscheint dann im Sinne Werlens 'alltäglichen Geo-graphie-Machens' als eine permanent neu zu erstellende und damit sich auch ständig verändernde Perspektive auf die Objektwelt. So kann sich im Auge der Sporttreibenden von Trend- und Natur-sportarten jedes Objekt und jede Landschaft, wenn man so will: die Welt, als ein einziger großer Sportplatz darstellen.Wenn also alles potentiell eine Sportstätte sein kann, stellt sich die Frage, wie es zur Herausbildung sogenannter Top Spots kommt, also zu jenen Sportstätten, die innerhalb der jeweiligen Sportart von herausragender Bedeutung sind - sozusagen die oberste Sprosse der Karriereleiter erklommen haben - und an der jeder gewesen sein muß, der innerhalb der sportartspezifischen Szene etwas gelten will. Dieser Frage wird anhand eines Fallbeispiels nachgegangen. Als Grundlage wurde ein Untersu-chungsgebiet gewählt, das sich bereits in einem fortgeschrittenen Stadium der Entwicklung zu einem Top Spot befindet - eine Landschaft also, die bereits eine 'Karriere als Sportlandschaft' aufzuweisen hat. Die peripher gelegene US-amerikanische Kleinstadt Moab in Südost-Utah (ca. 5.000 Einwohner) hat sich seit Anfang der 1990er Jahre zu einem internationalen Szene-Treffpunkt für Mountainbiking entwickelt. Zu dem wichtigsten Mountainbike-Trail (dem Slickrock Bike Trail) kommen pro Jahr al-lein mehr als 200.000 Mountainbike-TouristInnen. Neben dem Mountainbiking spielt River Rafting eine bedeutende Rolle im Tourismus und es hat sich dort in den letzten Jahren außerdem eine kleine Sportkletter-Szene etabliert, die in den nächsten Jahren sicherlich noch an Bedeutung zunehmen wird.

Die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Suche nach kosmischen Neutrino-Punktquellen mit dem AMANDA-Neutrinoteleskop

Die Suche nach kosmischen Neutrinopunktquellen ist durch dieFrage motiviert, wo die hochenergetische Kosmische Strahlungim Universum entsteht. Wenn dort Hadronen beschleunigtwerden, sollten Mesonen produziert werden und daraushochenergetische Neutrinos entstehen. Diese können nahezuungestört die Erde erreichen. Die Identifikation einerNeutrinopunktquelle ist eines der zentralen Ziele desAMANDA-Neutrinoteleskopes am geographischen Südpol. In dieser Dissertation wird zunächst gezeigt, wie dieWinkelauflösung für jedes einzelne Neutrinoereignisindividuell bestimmt werden kann. Zudem stellt sich derWinkelfehlerschätzer als guter Qualitätsparameter zurUnterdrückung von Untergrundereignissen heraus. Die bisher zur Punktquellensuche verwendete Suchmethode kanndiese zusätzliche Information nicht verwenden, da es sich umein reines Zählverfahren handelt. Dadurch motiviert wird einneues Verfahren entwickelt, das auf der Methode der MaximumLikelihood basiert. Darin wird die Winkelauflösung für jedesEreignis in natürlicher Art und Weise integriert. Die erreichte Sensitivität der Maximum-Likelihood-Methodevon bar{Phi}_nu^90 approx 2cdot 10^-8 cm^-2 s^-1 istvergleichbar mit derjenigen der bisherigen Vorgehensweise.Die Ortsauflösung, mit der die Position eineridentifizierten Quelle bestimmt wird, ist um den Faktor ca.4 verbessert, und liegt bei etwa einem Grad. Ebenfalls neu ist der Wegfall von künstlichen Suchgittern,mit denen der Himmel bei der Suche nach Quellen unbekannterLage bisher eingeteilt worden ist. Stattdessen werdenkontinuierliche Funktionen der Himmelskoordinaten studiert. Die im Jahr 2000 aufgezeichneten Daten wurden einer Suchenach Neutrinopunktquellen unterzogen. Wie schon bei einervorherigen Suche mit der alten Vorgehensweis konnte keineQuelle identifiziert werden. Für die 30 untersuchtenKandidatenobjekte ergeben sich obere Grenzen in der Nähe derSensitivität. Das entwickelte Verfahren ist problemlos auf jedesExperiment übertragbar, das ein Entdeckungspotenzial fürPunktquellen hat.

Echtzeitsuche nach Neutrinoausbrüchen von Supernovae mit dem AMANDA-II-Detektor

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.