Supernova-Detektion mit dem IceCube-Neutrinoteleskop

IceCube, ein Neutrinoteleskop, welches zur Zeit am Südpol aufgebaut und voraussichtlich 2011 fertiggestellt sein wird, kann galaktische Kernkollaps-Supernovae mit hoher Signifikanz und unübertroffener statistischer Genauigkeit der Neutrinolichtkurve detektieren. Derartige Supernovae werden begleitet von einem massiven Ausbruch niederenergetischer Neutrinos aller Flavour. Beim Durchfliegen des Detektormediums Eis entstehen Positronen und Elektronen, welche wiederum lokale Tscherenkowlichtschauer produzieren, die in ihrer Summe das gesamte Eis erleuchten. Ein Nachweis ist somit, trotz der Optimierung IceCubes auf hochenergetische Teilchenspuren, über eine kollektive Rauschratenerhöhung aller optischen Module möglich. Die vorwiegende Reaktion ist der inverse Betazerfall der Antielektronneutrinos, welcher über 90,% des gesamten Signals ausmacht.rnrnDiese Arbeit beschreibt die Implementierung und Funktionsweise der Supernova-Datennahme-Software sowie der Echtzeitanalyse, mit welcher die oben genannte Nachweismethode seit August 2007 realisiert ist. Die Messdaten der ersten zwei Jahre wurden ausgewertet und belegen ein extrem stabiles Verhalten des Detektors insgesamt sowie fast aller Lichtsensoren, die eine gemittelte Ausfallquote von lediglich 0,3,% aufweisen. Eine Simulation der Detektorantwort nach zwei unterschiedlichen Supernova-Modellen ergibt eine Sichtweite IceCubes, die im besten Falle bis zur 51,kpc entfernten Großen Magellanschen Wolke reicht. Leider ist der Detektor nicht in der Lage, die Deleptonisierungsspitze aufzulösen, denn Oszillationen der Neutrinoflavour innerhalb des Sterns modifizieren die Neutrinospektren ungünstig. Jedoch können modellunabhängig anhand des frühesten Signalanstiegs die inverse Massenhierarchie sowie $sin^2 2theta_{13} > 10^{-3}$ etabliert werden, falls die Entfernung zur Supernova $leq$,6,kpc beträgt. Gleiches kann durch Auswertung eines möglichen Einflusses der Erdmaterie auf die Neutrinooszillation mit Hilfe der Messung eines zweiten Neutrinodetektors erreicht werden.

Optimierungen des Nachweises von Supernovae in IceCube

Kernkollaps-Supernovae werden von einem massiven Ausbruch niederenergetischer Neutrinos begleitet. Sie zählen zu den energiereichsten Erscheinungen im Universum und stellen die derzeit einzig bekannte Quelle extrasolarer Neutrinos dar.rnDie Detektion einer solchen Neutrinosignatur würde zu einem tieferen Verständnis des bislang unzureichend bekannten stellaren Explosionsmechanismus führen. rnDarüber hinaus würden neue Einblicke in den Bereich der Teilchenphysik und der Supernova-Modellierung ermöglicht. Das sich zur Zeit am geographischen Südpol im Aufbau befindliche Neutrinoteleskop IceCube wird 2011 fertig gestellt sein.rnIceCube besteht im endgültigen Ausbau aus 5160 Photovervielfachern, die sich in gitterförmiger Anordnung in Tiefen zwischen 1450m und 2450m unter der Eisoberfläche befinden. Durch den Nachweis von Tscherenkow-Photonenrnim antarktischen Gletscher ist es in der Lage, galaktische Supernovae über einen kollektiven Anstieg der Rauschraten in seinen Photonenvervielfachern nachzuweisen.rnIn dieser Arbeit werden verschiedene Studien zur Implementierung einer künstlichen Totzeit vorgestellt, welche korreliertes Rauschen unterdrücken und somit das Signal-Untergund-Verhältnis maximieren würden.rnEin weiterer Teil dieser Dissertation bestand in der Integration der Supernova-Datenakquise eine neue Experiment-Steuerungssoftware.rnFür den Analyseteil der Arbeit wurde ein Monte-Carlo für IceCube entwickelt und Neutinooszillations-Mechanismen und eine Reihe von Signalmodellen integriert. Ein Likelihoodhypothesen-Test wurde verwendet, um die Unterscheidbarkeit verschiedener Supernova- beziehungsweise Neutrinooszillations-Szenarien zu untersuchen. Desweiteren wurde analysiert inwieweit sich Schock-Anregungen und QCD-Phasenübergnag im Verlauf des Explosionsprozesses detektieren lassen.

Supernova detection in a future extension of the IceCube neutrino telescope

Marking the final explosive burning stage of massive stars, supernovae are onernthe of most energetic celestial events. Apart from their enormous optical brightnessrnthey are also known to be associated with strong emission of MeV neutrinos—up tornnow the only proven source of extrasolar neutrinos.rnAlthough being designed for the detection of high energy neutrinos, the recentlyrncompleted IceCube neutrino telescope in the antarctic ice will have the highestrnsensitivity of all current experiments to measure the shape of the neutrino lightrncurve, which is in the MeV range. This measurement is crucial for the understandingrnof supernova dynamics.rnIn this thesis, the development of a Monte Carlo simulation for a future low energyrnextension of IceCube, called PINGU, is described that investigates the response ofrnPINGU to a supernova. Using this simulation, various detector configurations arernanalysed and optimised for supernova detection. The prospects of extracting notrnonly the total light curve, but also the direction of the supernova and the meanrnneutrino energy from the data are discussed. Finally the performance of PINGU isrncompared to the current capabilities of IceCube.

Constraints on neutrino mass fraction using Redshift Space Distortions

Redshift Space Distortions (RSD) are an apparent anisotropy in the distribution of galaxies due to their peculiar motion. These features are imprinted in the correlation function of galaxies, which describes how these structures distribute around each other. RSD can be represented by a distortions parameter $\beta$, which is strictly related to the growth of cosmic structures. For this reason, measurements of RSD can be exploited to give constraints on the cosmological parameters, such us for example the neutrino mass. Neutrinos are neutral subatomic particles that come with three flavours, the electron, the muon and the tau neutrino. Their mass differences can be measured in the oscillation experiments. Information on the absolute scale of neutrino mass can come from cosmology, since neutrinos leave a characteristic imprint on the large scale structure of the universe. The aim of this thesis is to provide constraints on the accuracy with which neutrino mass can be estimated when expoiting measurements of RSD. In particular we want to describe how the error on the neutrino mass estimate depends on three fundamental parameters of a galaxy redshift survey: the density of the catalogue, the bias of the sample considered and the volume observed. In doing this we make use of the BASICC Simulation from which we extract a series of dark matter halo catalogues, characterized by different value of bias, density and volume. This mock data are analysed via a Markov Chain Monte Carlo procedure, in order to estimate the neutrino mass fraction, using the software package CosmoMC, which has been conveniently modified. In this way we are able to extract a fitting formula describing our measurements, which can be used to forecast the precision reachable in future surveys like Euclid, using this kind of observations.

Suche nach dem Higgs-Boson im Zerfallskanal H WW eny e myny my mit dem D0-Detektor

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach dem Higgs-Boson.rn Dazu wurden die Daten des D0-Experimentes am Fermi National rn Accelerator Laboratory analysiert. Diese stammen ausrn Proton-Antiproton-Kollisionen, welche vom Tevatron-Beschleuniger beirn einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s)=1.96 TeV erzeugtrn wurden. Der Datensatz umfasst mit einer integrierten Luminosität vonrn 9.7 fb^-1 den vollen RunII, welcher von April 2002 bisrn September 2011 aufgezeichnet wurde. Die Suche wurde für dreirn unterschiedliche Modelle durchgeführt: Das Standardmodell, einrn fermiophobes Higgs-Modell und ein Modell mit einer viertenrn Fermiongeneration. Zusätzlich wurde der Wirkungsquerschnitt derrn nicht resonanten WW-Produktion gemessen.rnrn Dazu wurden Daten mit einem Elektron, einem Myon und fehlenderrn Transversalenergie im Endzustand untersucht. Dieser Endzustand wirdrn beim Zerfall eines Higgs-Bosons in zwei W-Bosonen mit anschließendemrn Zerfall in ein Elektron, ein Myon und zwei Neutrinos erwartet undrn weist die größte Sensitivität für die Suche am Tevatron auf.rnrn Weder für das Standardmodell noch für die erweiterten Modelle konntern ein Hinweis auf ein Higgs-Signal gefunden werden. Deshalb wurdenrn obere Grenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt für diern einzelnen Modelle bestimmt. Die oberen Grenzen für Higgs-Bosonen imrn Rahmen des Standardmodells reichen von 28*sigma_SM für einrn Higgs-Boson mit einer Masse von 100 GeV bis zu einemrn Ausschluss des Standardmodell-Higgs-Bosons im Bereich zwischen 160rn und 167 GeV mit 95% Vertrauensniveau. Damit ist der inrn dieser Arbeit beschriebene Kanal der einzige Kanal amrn D0-Experiment, welcher eine ausreichend hohe Sensitivität erreicht,rn um allein ein Higgs-Boson im hohen Massenbereich auszuschließen. Fürrn ein Higgs-Boson mit 125 GeV Masse sind die Ergebnisse sowohlrn mit der Signal+Untergrund- als auch mit der Untergrund-Hypothesern kompatibel. rn Im Rahmen des fermiophoben Higgs-Modells wurden oberen Grenzenrn zwischen 2*sigma_FHM und 4*sigma_FHM imrn Massenbereich zwischen 100 und 170 GeV bestimmt. Für diern betrachteten Modelle mit einer vierten Fermiongeneration konnte einrn Higgs-Boson in einem weiten Massenbereich zwischen 135 undrn 220 GeV mit 95% Vertrauensniveau ausgeschlossen werden.rnrn Die Messung des Wirkungsquerschnitts der nicht-resonantenrn WW-Produktion ist die genaueste Messung fürrn sqrt(s)=1.96 TeV. Der gemessene Wirkungsquerschnitt beträgtrn sigma_ppbar->WW^em=11.1 +- 0.6 (stat.) +- 0.6 (syst.) pbrn und bestätigt damit die theoretische NLO-Vorhersage im Rahmen ihrerrn Unsicherheiten.rn

Suche nach Dunkler Materie in Galaxien und Galaxienhaufen mit dem Neutrinoteleskop IceCube

Trotz zahlreicher Hinweise auf die Existenz von Dunkler Materie, konnten entsprechende Teilchen bisher nicht nachgewiesen werden. Eine große Anzahl an Experimenten wird durchgeführt, um die Eigenschaften möglicher Kandidatenteilchen zu untersuchen. Eine Strategie ist die Suche nach einem Neutrinosignal aus den Annihilationen von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) in Regionen mit hoher Dichte von Dunkler Materie. Mögliche Zielobjekte dieser Suchen sind die Erde, die Sonne, das Zentrum und der Halo der Milchstraße sowie entfernte Objekte, die einen hohen Anteil Dunkler Materie aufweisen.In der vorliegenden Arbeit wird die erste Suche nach einem Neutrinosignal von Zwerggalaxien, größeren Galaxien und Galaxienhaufen beschrieben. Da kein Signal nachgewiesen wurde, konnten obere Grenzen auf den Annihilationsquerschnitt von WIMPs gesetzt werden. Die stärksten Grenzen wurden aus der Beobachtung des Virgo-Haufens unter der Annahme einer großen Signalverstärkung durch Unterstrukturen in der Dichteverteilung abgeleitet. Für WIMP-Massen oberhalb von einigen TeV ist das Ergebnis vergleichbar mit Grenzen, die aus der Suche mit Gammateleskopen abgeleitet wurden. Für den direkten Annihilationskanal in zwei Neutrinos konnte der Wirkungsquerschnitt stärker eingeschränkt werden, als in bisherigen Analysen.

Thermal right-handed neutrino self-energy in the non-relativistic regime

Recently the issue of radiative corrections to leptogenesis has been raised. Considering the "strong washout" regime, in which OPE-techniques permit to streamline the setup, we report the thermal self-energy matrix of heavy right-handed neutrinos at NLO (resummed 2-loop level) in Standard Model couplings. The renormalized expression describes flavour transitions and "inclusive" decays of chemically decoupled right-handed neutrinos. Although CP-violation is not addressed, the result may find use in existing leptogenesis frameworks.

Thermal right-handed neutrino production rate in the relativistic regime

The production rate of right-handed neutrinos from a Standard Model plasma at a temperature above a hundred GeV is evaluated up to NLO in Standard Model couplings. The results apply in the so-called relativistic regime, referring parametrically to a mass M ~ πT, generalizing thereby previous NLO results which only apply in the non-relativistic regime M ≫ πT. The non-relativistic expansion is observed to converge for M ≳ 15T, but the smallness of any loop corrections allows it to be used in practice already for M ≳ 4T. In the latter regime any non-covariant dependence of the differential rate on the spatial momentum is shown to be mild. The loop expansion breaks down in the ultrarelativistic regime M ≪ πT, but after a simple mass resummation it nevertheless extrapolates reasonably well towards a result obtained previously through complete LPM resummation, apparently confirming a strong enhancement of the rate at high temperatures (which facilitates chemical equilibration). When combined with other ingredients the results may help to improve upon the accuracy of leptogenesis computations operating above the electroweak scale.

Measurements of Higgs boson production and couplings in diboson final states with the ATLAS detector at the LHC

Measurements are presented of production properties and couplings of the recently discovered Higgs boson using the decays into boson pairs, H --> gamma-gamma, H --> ZZ* --> 4 leptons and H --> WW --> 2 leptons + 2 neutrinos. The results are based on the complete pp collision data sample recorded by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider at centre-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of about 25/fb. Evidence for Higgs boson production through vector-boson fusion is reported. Results of combined fits probing Higgs boson couplings to fermions and bosons, as well as anomalous contributions to loop-induced production and decay modes, are presented. All measurements are consistent with expectations for the Standard Model Higgs boson.

New results on ν μ → ν τ appearance with the OPERA experiment in the CNGS beam

The OPERA neutrino experiment is designed to perform the first observation of neutrino oscillations in direct appearance mode in the νμ→ντ channel, via the detection of the τ-leptons created in charged current ντ interactions. The detector, located in the underground Gran Sasso Laboratory, consists of an emulsion/lead target with an average mass of about 1.2 kt, complemented by electronic detectors. It is exposed to the CERN Neutrinos to Gran Sasso beam, with a baseline of 730 km and a mean energy of 17 GeV. The observation of the first ντ candidate event and the analysis of the 2008-2009 neutrino sample have been reported in previous publications. This work describes substantial improvements in the analysis and in the evaluation of the detection efficiencies and backgrounds using new simulation tools. The analysis is extended to a sub-sample of 2010 and 2011 data, resulting from an electronic detector-based pre-selection, in which an additional ντ candidate has been observed. The significance of the two events in terms of a νμ→ντ oscillation signal is of 2.40 σ.

Measurement of ℤℤ production in pp collisions at sqrts=7 TeV and limits on anomalous ℤℤℤ ℤℤgamma couplings with the ATLAS detector

A measurement of the ZZ production cross section in proton-proton collisions at root s = 7 TeV using data recorded by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider is presented. In a data sample corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb(-1) collected in 2011, events are selected that are consistent either with two Z bosons decaying to electrons or muons or with one Z boson decaying to electrons or muons and a second Z boson decaying to neutrinos. The ZZ((*)) -> l(+)l(-)l'(+)l'(-) and ZZ -> l(+)l(-) nu(nu) over bar cross sections are measured in restricted phase-space regions. These results are then used to derive the total cross section for ZZ events produced with both Z bosons in the mass range 66 to 116 GeV, sigma(tot)(ZZ) = 6.7 +/- 0.7 (stat.) (+0.4)(-0.3) (syst.) +/- 0.3 (lumi.) pb, which is consistent with the Standard Model prediction of 5.89(-0.18)(+0.22) pb calculated at next-to-leading order in QCD. The normalized differential cross sections in bins of various kinematic variables are presented. Finally, the differential event yield as a function of the transverse momentum of the leading Z boson is used to set limits on anomalous neutral triple gauge boson couplings in ZZ production.

Kubo relations and radiative corrections for lepton number washout

The rates for lepton number washout in extensions of the Standard Model containing right-handed neutrinos are key ingredients in scenarios for baryogenesis through leptogenesis. We relate these rates to real-time correlation functions at finite temperature, without making use of any particle approximations. The relations are valid to quadratic order in neutrino Yukawa couplings and to all orders in Standard Model couplings. They take into account all spectator processes, and apply both in the symmetric and in the Higgs phase of the electroweak theory. We use the relations to compute washout rates at next-to-leading order in g, where g denotes a Standard Model gauge or Yukawa coupling, both in the non-relativistic and in the relativistic regime. Even in the non-relativistic regime the parametrically dominant radiative corrections are only suppressed by a single power of g. In the non-relativistic regime radiative corrections increase the washout rate by a few percent at high temperatures, but they are of order unity around the weak scale and in the relativistic regime.

Right-handed neutrino production rate at T > 160 GeV

The production rate of right-handed neutrinos from a Standard Model plasma at a temperature above a hundred GeV has previously been evaluated up to NLO in Standard Model couplings (g ~ 2/3) in relativistic (M ~ πT) and non-relativistic regimes (M ≫ πT), and up to LO in an ultrarelativistic regime (M ≲ gT). The last result necessitates an all-orders resummation of the loop expansion, accounting for multiple soft scatterings of the nearly light-like particles participating in 1↔2 reactions. In this paper we suggest how the regimes can be interpolated into a result applicable for any right-handed neutrino mass and at all temperatures above 160GeV. The results can also be used for determining the lepton number washout rate in models containing right-handed neutrinos. Numerical results are given in a tabulated form permitting for their incorporation into leptogenesis codes. We note that due to effects from soft Higgs bosons there is a narrow intermediate regime around M ~g 1/2 T in which our interpolation is phenomenological and a more precise study would be welcome.

Neutrino physics with multi-ton scale liquid xenon detectors

We study the sensitivity of large-scale xenon detectors to low-energy solar neutrinos, to coherent neutrino-nucleus scattering and to neutrinoless double beta decay. As a concrete example, we consider the xenon part of the proposed DARWIN (Dark Matter WIMP Search with Noble Liquids) experiment. We perform detailed Monte Carlo simulations of the expected backgrounds, considering realistic energy resolutions and thresholds in the detector. In a low-energy window of 2–30 keV, where the sensitivity to solar pp and 7Be-neutrinos is highest, an integrated pp-neutrino rate of 5900 events can be reached in a fiducial mass of 14 tons of natural xenon, after 5 years of data. The pp-neutrino flux could thus be measured with a statistical uncertainty around 1%, reaching the precision of solar model predictions. These low-energy solar neutrinos will be the limiting background to the dark matter search channel for WIMP-nucleon cross sections below ~2X 10-48 cm2 and WIMP masses around 50 GeV c 2, for an assumed 99.5% rejection of electronic recoils due to elastic neutrino-electron scatters. Nuclear recoils from coherent scattering of solar neutrinos will limit the sensitivity to WIMP masses below ~6 GeV c-2 to cross sections above ~4X10-45cm2. DARWIN could reach a competitive half-life sensitivity of 5.6X1026 y to the neutrinoless double beta decay of 136Xe after 5 years of data, using 6 tons of natural xenon in the central detector region.

Measurement of the intrinsic electron neutrino component in the T2K neutrino beam with the ND280 detector

The T2K experiment has reported the first observation of the appearance of electron neutrinos in a muon neutrino beam. The main and irreducible background to the appearance signal comes from the presence in the neutrino beam of a small intrinsic component of electron neutrinos originating from muon and kaon decays. In T2K, this component is expected to represent 1.2% of the total neutrino flux. A measurement of this component using the near detector (ND280), located 280 m from the target, is presented. The charged current interactions of electron neutrinos are selected by combining the particle identification capabilities of both the time projection chambers and electromagnetic calorimeters of ND280. The measured ratio between the observed electron neutrino beam component and the prediction is 1.01±0.10 providing a direct confirmation of the neutrino fluxes and neutrino cross section modeling used for T2K neutrino oscillation analyses. Electron neutrinos coming from muons and kaons decay are also separately measured, resulting in a ratio with respect to the prediction of 0.68±0.30 and 1.10±0.14 , respectively.