Neutrini dal piano galattico con ANTARES

In questa tesi si cerca un flusso diffuso di neutrini nel piano Galattico. ANTARES, un telescopio di neutrini che si trova nel Mar Mediterraneo, ha un’area di visibilit`a tale da poter osservare questa parte di cielo, quindi isolare l’emissione di neutrini per trovarne le sorgenti. Sono confrontate diverse regioni del cielo, selezionate in modo tale che abbiano le stesse dimensioni. In particolare si comparano la regione corrispondente al Centro Galattico, detta on-zone, e altre regioni, dove secondo i modelli analizzati ci si aspetta un minor segnale, dette off-zone.

Simulazioni Montecarlo per un telescopio di neutrini sottomarino

Per il telescopio di neutrini ANTARES, sul quale è basata questa tesi, il principale problema nella ricostruzione delle tracce dei muoni provenienti dal basso, i quali possono essere generati solo da neutrini provenienti dall’emisfero sud che interagiscono nei pressi del rivelatore, è rappresentato dai muoni atmosferici (in particolare dagli sciami muonici). La luce Cherenkov da essi prodotta può essere utilizzata per ricostruire erroneamente tracce dirette verso l’alto (upgoing). Lo scopo di questa tesi è la valutazione, tramite un metodo Montecarlo, della probabilità che i muoni atmosferici vengano ricostruiti come muoni diretti verso l’alto. L’esposizione è organizzata in quattro capitoli: nei primi due vengono descritti la fisica dell’astronomia a neutrini e i principi di funzionamento di un telescopio di neutrini, con particolare attenzione al telescopio ANTARES.Nel terzo capitolo è riportata la descrizione del software utilizzato per simulare lo sciame di muoni atmosferici e la conseguente risposta del rivelatore. Infine, nel quarto capitolo, sono presentati i grafici eseguiti con ROOT che riassumono ed evidenziano i risultati della simulazione.

Confronto tra la direzione di arrivo dei neutrini di ANTARES e IceCube

[Abstract]. Questo lavoro è finalizzato al confronto delle rivelazioni di canditati eventi di neutrino cosmico da parte di due esperimenti ANTARES ed ICECUBE. I due apparati, entrambi basati sulla rivelazione di radiazione Cherenkov generata da prodotti di interazione CC dei neutrini, si differenziano per la geometria del detector e per il mezzo in cui viene prodotta la radiazione, e hanno quindi sensibilità e risoluzione diverse. L'analisi dei dati è basata sulla rappresentazione delle direzioni di arrivo degli eventi su mappa celeste nei due sistemi di coordinate galattico ed equatoriale. La sovrapposizione della distribuzioni degli eventi ha permesso di evidenziare le zone di visibilità sulla mappa celeste caratteristiche di ciascun esperimento. Una successiva analisi statistica ha analizzato la frequenza delle occorenze di eventi del dataset di ANTARES in intorni di raggio crescente di eventi di ICECUBE, per valutare eventuali eventi identificabili nei due dataset. Questa analisi ha evidenziato la necessità di una selezione preventiva degli eventi del dataset di ANTARES, in base a criteri non solo topologici, in modo da permettere una eventuale identificazione di eventi coincidenti.

Correlazioni tra UHECRs di Auger e neutrini di ANTARES

Questo lavoro ha lo scopo di individuare una strada nella ricerca di un confronto tra canditati eventi di neutrino cosmico da parte dell'esperimento ANTARES ,nel Mar Mediterraneo a sud est della costa di Tolone, in Francia e gli Ultra High Energy Cosmic Rays dell'osservatorio Pierre Auger in Argentina. Si utilizzano dati raccolti dal telescopio di neutrini ANTARES tra il 2007 e il 2013, con energie dell'ordine del TeV, e quelli di Auger ottenuti tra il 2004 e il 2014, con energie dei raggi cosmici dell'ordine dell'EeV. Entrambi gli apparati sono basati sulla rivelazione di radiazione Cherenkov, ma l'osservatorio di Auger è dotato di un secondo rivelatore di luminescenza che lavora in sincrono per ridurre gli errori sistematici associati ai singoli rivelatori. Le distribuzioni degli eventi in base alle direzioni di arrivo e dell' energia osservata, sono i parametri necessari per la ricerca di una correlazione. Dalla sovrapposizione delle distribuzioni possiamo evidenziare le zone di visibilità caratteristiche di ciascun esperimento, e condurre un eventuale successiva analisi finalizzata ad una identificazione univoca di eventi coincidenti.

Studies of the atmospheric muon flux with the ANTARES detector

The thesis main topic is the determination of the vertical component of the atmospheric muon flux as a function of the sea depth at the ANTARES site. ANTARES is a Cherenkov neutrino telescope placed at 2500m depth in the Mediterranean Sea at 40 km from the southern cost of France. In order to retrieve back the physical flux from the experimental data a deconvolution algorithm has been perform which takes into consideration the trigger inefficiensies and the reconstruction errors on the zenith angle. The obtained results are in good agreement with other ANTARES indipendent analysis.

IceCube: efficient targeted mining in data cubes

We address the problem of mining targeted association rules over multidimensional market-basket data. Here, each transaction has, in addition to the set of purchased items, ancillary dimension attributes associated with it. Based on these dimensions, transactions can be visualized as distributed over cells of an n-dimensional cube. In this framework, a targeted association rule is of the form {X -> Y} R, where R is a convex region in the cube and X. Y is a traditional association rule within region R. We first describe the TOARM algorithm, based on classical techniques, for identifying targeted association rules. Then, we discuss the concepts of bottom-up aggregation and cubing, leading to the CellUnion technique. This approach is further extended, using notions of cube-count interleaving and credit-based pruning, to derive the IceCube algorithm. Our experiments demonstrate that IceCube consistently provides the best execution time performance, especially for large and complex data cubes.

Multimessenger search for sources of gravitational waves and high-energy neutrinos: Initial results for LIGO-Virgo and IceCube

We report the results of a multimessenger search for coincident signals from the LIGO and Virgo gravitational-wave observatories and the partially completed IceCube high-energy neutrino detector, including periods of joint operation between 2007-2010. These include parts of the 2005-2007 run and the 2009-2010 run for LIGO-Virgo, and IceCube's observation periods with 22, 59 and 79 strings. We find no significant coincident events, and use the search results to derive upper limits on the rate of joint sources for a range of source emission parameters. For the optimistic assumption of gravitational-wave emission energy of 10(-2) M(circle dot)c(2) at similar to 150 Hz with similar to 60 ms duration, and high-energy neutrino emission of 1051 erg comparable to the isotropic gamma-ray energy of gamma-ray bursts, we limit the source rate below 1.6 x 10(-2) Mpc(-3) yr(-1). We also examine how combining information from gravitational waves and neutrinos will aid discovery in the advanced gravitational-wave detector era.

Constraints on enhanced dark matter annihilation from IceCube results

Excesses on positron and electron fluxes-measured by ATIC and the PAMELA and Fermi-LAT telescopes-can be explained by dark matter annihilation in the Galaxy, however, it requires large boosts on the dark matter annihilation rate. There are many possible enhancement mechanisms such as the Sommerfeld effect or the existence of dark matter clumps in our halo. If enhancements on the dark matter annihilation cross section are taking place, the dark matter annihilation in the core of the Earth will be enhanced. Here we use recent results from the IceCube 40-string configuration to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matter-proton interaction cross section, sigma(chi p) weighted by the branching fraction into neutrinos f(nu(nu) over bar) as a function of a generic boost factor B-F, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require annihilation enhancements of O(100) or more and that annihilate significantly into neutrinos are excluded as an explanation for these excesses. We also determine the boost range that can be probed by the full IceCube telescope.

Campi magnetici in astrofisica

Vengono descritti alcuni fenomeni legati ai campo magnetici attraverso la magnetoidrodinamica, approfondendo in particolare i modelli e le evidenze in riferimento al caso solare

Realisierung der IceCube MonteCarlo-Produktion im WLCG und Untersuchung von Auswirkungen meteorologischer Parameter auf die Erzeugung atmosphärischer Myonen

Das am Südpol gelegene Neutrinoteleskop IceCube detektiert hochenergetische Neutrinos über die schwache Wechselwirkung geladener und neutraler Ströme. Die Analyse basiert auf einem Vergleich mit Monte-Carlo-Simulationen, deren Produktion global koordiniert wird. In Mainz ist es erstmalig gelungen, Simulationen innerhalb der Architektur des Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) zu realisieren, was die Möglichkeit eröffnet, Monte-Carlo-Berechnungen auch auf andere deutsche Rechnerfarmen (CEs) mit IceCube-Berechtigung zu verteilen. Atmosphärische Myonen werden mit einer Rate von über 1000 Ereignissen pro Sekunde aufgezeichnet. Eine korrekte Interpretation dieses dominanten Signals, welches um einen Faktor von 10^6 reduziert werden muss um das eigentliche Neutrinosignal zu extrahieren, ist deswegen von großer Bedeutung. Eigene Simulationen mit der Software-Umgebung CORSIKA wurden durchgeführt um die von Energie und Einfallswinkel abhängige Entstehungshöhe atmosphärischer Myonen zu bestimmen. IceCube Myonraten wurden mit Wetterdaten des European Centre for Medium-Range Weather Forcasts (ECMWF) verglichen und Korrelationen zwischen jahreszeitlichen sowie kurzzeitigen Schwankungen der Atmosphärentemperatur und Myonraten konnten nachgewiesen werden. Zudem wurde eine Suche nach periodischen Effekten in der Atmosphäre, verursacht durch z.B. meteorologische Schwerewellen, mit Hilfe einer Fourieranalyse anhand der IceCube-Daten durchgeführt. Bislang konnte kein signifikanter Nachweis zur Existenz von Schwerewellen am Südpol erbracht werden.

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.