Opening celestial horizons: Detecting astrophysical high energy electron and tau neutrinos with IceCube

• Applicant: Professor Dr. Marek Kowalski
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2006 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 19985969

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Das Emmy-Noether-Projekt zielte auf den erstmaligen Nachweis von hochenergetischen, astrophysikalischen Neutrinos mit IceCube ab. Es wurden zwei Analysemethoden verfolgt - die Suche nach neutrino-induzierten Kaskaden sowie der Einsatz von Online-Suchen und Nachbeobachtungen zur Identifikation von Neutrinos von Supernovae und Gamma-Ray Bursts. Da der Projektzeitraum mit der Aufbauphase des IceCube-Experiments ko-inzidierte, bestand ein Teil der Aufgaben in der Software-Entwicklung für bessere und schnellere Rekonstruktion, Selektion sowie Simulation der Daten. Elektron- und Tauneutrinos werden, anders als das Myonneutrino, über den Nachweis eines isolierten Teilchenschauers (auch Kaskade genannt) identifiziert. Die gute Energieauflösung für diese Ereignisklasse lässt eine genaue Vermessung des Neutrinospektrums zu. Über die Suche nach einer Abweichung vom steil abfallenden atmosphärischen Neutrinospektrum sollte der isotrope Fluss hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos nachgewiesen werden. In Vorbereitung dazu wurden neue Rekonstruktionsmethoden für die Vertexposition, Energie und Richtung entwickelt, die sich mittlerweile als Standardmethoden in IceCube etabliert haben. Die Simulation von Kaskaden wurde ebenfalls deutlich verbessert. Bei der Suche nach Elektronneutrinos in den ersten IceCube-Daten hat die Arbeitsgruppe in enger Zusammenarbeit mit Doktoranden vom DESY eine führende Rolle übernommen. Im Rahmen der Doktorarbeit von S. Panknin wurden IceCube-Daten des Jahres 2008 und 2009, die mit der 40-String Teilkonfiguration aufgezeichnet wurden, nach einem diffusen, hochenergetischen Fluss von Elektronneutrinos durchsucht. Es wurde kein Überschuss über dem erwarteten Untergrund nachgewiesen, sodass eine obere Grenze auf den Fluss astrophysikalischer Neutrinos abgeleitet wurde. Eine weitere Analyse von E. Middell der gleichen Daten zielt auf den Nachweis von atmosphärischen Elektronneutrinos ab. Erstmalig scheinen sich diese vom großen Untergrund atmosphärischer Myonen trennen zu lassen. Eine erst kürzlich vom Antragsteller neu entwickelte Methode zum Nachweis von Neutrinos von Supernovae und Gamma-Ray-Bursts besteht in der Durchführung dedizierter Nachbeoachtung. Registriert IceCube zwei oder mehr Neutrinoereignisse innerhalb eines kurzen Zeitfensters aus derselben Richtung, wird ein Netzwerk von optischen Teleskopen aktiviert, die mithilfe von Nachbeobachtungen die transiente Neutrinoquelle nachweisen können. Die Arbeitsgruppe entwickelte eine Echtzeit-Analyse der IceCube-Ereignisse, die seit 2009 am Südpol betrieben wird. Diese erlaubt es, ein mögliches astrophysikalisches Neutrinosignal sofort zu identifizieren und dessen Himmelskoordinaten an ein Netzwerk von optischen Teleskopen sowie den SWIFT-X-Ray Satelliten zu senden. Frau Dr. A. Franckowiak hat im Herbst 2011 die Analyse der Daten des ersten Jahres 2009 abgeschlossen, in denen nach einem Signal von Supernovae gesucht wurde. Es konnte eine erste obere Grenze auf die Produktion baryonischer Jets in Supernovae abgeleitet werden. Das Ergebnis ist im Bereich der Neutrino-und Gravitationswellenexperimente das erste publizierte wissenschaftliche Resultat einer derartigen Echtzeit-Analyse. Die Arbeiten erhielten einige Beachtung, was unter anderem durch die von den Mitgliedern der Arbeitsgruppe erhaltenen Preise illustriert wird.

Publications

• Detecting Neutrino-Transients with Optical Follow-Up Observations, Astropart. Phys. 27, 533 (2007)
  M. Kowalski, A. Mohr
  
• . Improved Cosmological Constraints from New, Old and Combined Supernova Datasets, Astrophys. J., 686, 749 (2008)
  M. Kowalski et al. (Supernova Cosmology Project)
  
• Looking Beyond Lambda with the Union Supernovae Data, Astrophys. J 695, 391 (2009)
  D. Rubin, E. Linder, M. Kowalski et al.
  
• Estimating the Explosion Time of Core-Collapse Supernovae from their Optical Light Curves, Astropart. Phys. 33, 19 (2010)
  D.F. Cowen, A. Franckowiak, M. Kowalski
  
• Constraints on high-energy neutrino emission from SN 2008D, Astronomy & Astrophysics, 527, A28 (2011)
  R. Abbasi et al. (IceCube collaboration)
  
• Search for neutrino-induced cascades with five years of AMANDA data, Astropart. Phys. 34, 420 (2011)
  R. Abbasi et al. (IceCube collaboration)
  
• . Searching for soft relativistic jets in core-collapse supernovae with the IceCube optical follow-up program, Astronomy & Astrophysics, 539, A60 (2012)
  R. Abbasi et al. (IceCube collaboration)