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.

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.

Serch for Neutralino Dark Matter with the AMANDA-II Neutrino Telescope

The annihilation of weakly interacting massive particles (WIMPs), accumulated in gravitational potentials (e.g., the core of the Earth, the Sun or the Galactic halo) would lead to neutrino production. This thesis investigates the possibility of searching for WIMPs in the form of the lightest supersymmetric particle (neutralino) trapped in the Sun using the AMANDA-II neutrino telescope. AMANDA-II is a large Cherenkov detector located deep in the ice at the geographical South Pole. The presented work is based on data taken during the year 2001. An analysis optimized to search for the neutralino-induced flux from the Sun has been developed. The observation of no excess with respect to the expected atmospheric neutrino background has been interpreted as an upper limit on the neutralino annihilation rate in the Sun and on the neutralino-induced muon flux in the vicinity of the detector.

A Dark Matter Search with AMANDA : Limits on the Muon Flux from Neutralino Annihilations at the Centre of the Earth with 1997-99 Data

The nature of the dark matter in the Universe is one of the greatest mysteries in modern astronomy. The neutralino is a nonbaryonic dark matter candidate in minimal supersymmetric extensions to the standard model of particle physics. If the dark matter halo of our galaxy is made up of neutralinos some would become gravitationally trapped inside massive bodies like the Earth. Their pair-wise annihilation produces neutrinos that can be detected by neutrino experiments looking in the direction of the centre of the Earth. The AMANDA neutrino telescope, currently the largest in the world, consists of an array of light detectors buried deep in the Antarctic glacier at the geographical South Pole. The extremely transparent ice acts as a Cherenkov medium for muons passing the array and using the timing information of detected photons it is possible to reconstruct the muon direction. A search has been performed for nearly vertically upgoing neutrino induced muons with AMANDA-B10 data taken over the three year period 1997-99. No excess above the atmospheric neutrino background expectation was found. Upper limits at the 90 % confidence level has been set on the annihilation rate of neutralinos at the centre of the Earth and on the muon flux induced by neutrinos created by the annihilation products.

Measuring the spectra of high energy neutrinos with a kilometer-scale neutrino telescope

We investigate the potential of a future kilometer-scale neutrino telescope, such as the proposed IceCube detector in the South Pole, to measure and disentangle the yet unknown components of the cosmic neutrino flux, the prompt atmospheric neutrinos coming from the decay of charmed particles and the extra-galactic neutrinos in the 10 TeV to 1 EeV energy range. Assuming a power law type spectra, dphi(nu)/dE(nu)similar toalphaE(nu)(beta), we quantify the discriminating power of the IceCube detector and discuss how well we can determine magnitude (alpha) as well as slope (beta) of these two components of the high energy neutrino spectrum, taking into account the background coming from the conventional atmospheric neutrinos.

Periodic waves and solitons of two-photon propagation

We study the two-photon propagation (TPP) modelling equations. The one-phase periodic solutions are obtained in an effective form. Their modulation is investigated by means of the Whitham method. The theory developed is applied to the problem of creation of TPP solitons on the sharp front of a long pulse.

Dating the Siple Dome (Antarctica) Ice Core By Manual and Computer Interpretation of Annual Layering

The Holocene portion of the Siple Dome (Antarctica) ice core was dated by interpreting the electrical, visual and chemical properties of the core. The data were interpreted manually and with a computer algorithm. The algorithm interpretation was adjusted to be consistent with atmospheric methane stratigraphic ties to the GISP2 (Greenland Ice Sheet Project 2) ice core, (BE)-B-10 stratigraphic ties to the dendrochronology C-14 record and the dated volcanic stratigraphy. The algorithm interpretation is more consistent and better quantified than the tedious and subjective manual interpretation.

CO(2) Diffusion in Polar Ice: Observations from Naturally Formed CO(2) Spikes in the Siple Dome (Antarctica) Ice Core

One common assumption in interpreting ice-core CO(2) records is that diffusion in the ice does not affect the concentration profile. However, this assumption remains untested because the extremely small CO(2) diffusion coefficient in ice has not been accurately determined in the laboratory. In this study we take advantage of high levels of CO(2) associated with refrozen layers in an ice core from Siple Dome, Antarctica, to study CO(2) diffusion rates. We use noble gases (Xe/Ar and Kr/Ar), electrical conductivity and Ca(2+) ion concentrations to show that substantial CO(2) diffusion may occur in ice on timescales of thousands of years. We estimate the permeation coefficient for CO(2) in ice is similar to 4 x 10(-21) mol m(-1) s(-1) Pa(-1) at -23 degrees C in the top 287 m (corresponding to 2.74 kyr). Smoothing of the CO(2) record by diffusion at this depth/age is one or two orders of magnitude smaller than the smoothing in the firn. However, simulations for depths of similar to 930-950m (similar to 60-70 kyr) indicate that smoothing of the CO(2) record by diffusion in deep ice is comparable to smoothing in the firn. Other types of diffusion (e.g. via liquid in ice grain boundaries or veins) may also be important but their influence has not been quantified.

A Record of Atmospheric Co2 During the Last 40,000 Years from the Siple Dome, Antarctica Ice Core

We have measured the CO2 concentration of air occluded during the last 40,000 years in the deep Siple Dome A ( hereafter Siple Dome) ice core, Antarctica. The general trend of CO2 concentration from Siple Dome ice follows the temperature inferred from the isotopic composition of the ice and is mostly in agreement with other Antarctic ice core CO2 records. CO2 rose initially at similar to 17.5 kyr B. P. ( thousand years before 1950), decreased slowly during the Antarctic Cold Reversal, rose during the Younger Dryas, fell to a local minimum at around 8 kyr B. P., and rose continuously since then. The CO2 concentration never reached steady state during the Holocene, as also found in the Taylor Dome and EPICA Dome C ( hereafter Dome C) records. During the last glacial termination, a lag of CO2 versus Siple Dome isotopic temperature is probable. The Siple Dome CO2 concentrations during the last glacial termination and in the Holocene are at certain times greater than in other Antarctic ice cores by up to 20 ppm (mumol CO2/mol air). While in situ production of CO2 is one possible cause of the sporadic elevated levels, the mechanism leading to the enrichment is not yet clear.

Probing the LSND mass scale and four neutrino scenarios with a neutrino telescope

We show in this Letter that the observation of the angular distribution of upward-going muons and cascade events induced by atmospheric neutrinos at the TeV energy scale which can be performed by a kilometer-scale neutrino telescope, such as the IceCube detector, can be used to probe a large neutrino mass splitting, |Δm 2| ∼ (0.5-2.0) eV 2, implied by the LSND experiment and discriminate among four neutrino mass schemes. This is due to the fact that such a large mass scale can promote non-negligible v μ → v e, v τ/v μ → v e, v τ conversions at these energies by the MSW effect as well as vacuum oscillation, unlike what is expected if all the neutrino mass splittings are small. © 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.