Search for correlations of the arrival directions of high-energy cosmic neutrinos and highest-energy charged cosmic rays
Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
Final Report Abstract
Die Suche und Identifikation der Quellen kosmischer Strahlung ist seit über einem Jahrhundert ein zentrales Forschungsziel der Astrophysik. Insbesondere der Ursprung der höchstenergetischsten Strahlung (UHECR) mit Energien bis über 1 × 10²⁰ eV stellt ein langjähriges Rätsel dar. Vermutet wird, dass sich die Quellen dieser extrem hochenergetischen Teilchen außerhalb unserer Galaxie befinden. Die UHECR, die nach aktuellem Kenntnisstand aus geladenen Atomkernen bestehen, werden in kosmischen Magnetfeldern von ihrer Bahn abgelenkt. Sie erreichen daher die Erde aus Richtungen, die von ihrer Ursprungsrichtung abweichen – je höher die Ladung und je geringer die Energie ist. Nur für höchste Energien bleibt eine eingeschränkte Richtungsinformation erhalten, wenn sich die Quellen nicht zu weit entfernt von unserer Galaxie befinden. Leider waren bisherige Versuche einer eindeutigen Rückverfolgung gemessener UHECR zu bekannten astronomischen Objekte nicht erfolgreich. In diesem Projekt wurde als aussichtsreicher Ansatz eine Korrelationsmessung mit hochenergetischen Neutrinos (HENUs) durchgeführt. Die Produktion von HENUs wird in den vermuteten Quellen und Beschleunigungsprozessen von UHECR erwartet. Neutrinos werden jedoch, anders als die geladene UHECR, nicht in ihrer Richtung abgelenkt, sondern markieren die Richtung der Quellen. Insbesondere die Entdeckung eines hochenergetischen Flusses kosmischer Neutrinos mit dem Ice-Cube Neutrino Observatorium im Jahr 2013 und die Identifikation erster Quellen, z. B. der weit entfernte Blazar TWS-0506+056 im Jahr 2018, haben die Entdeckung der Quellen der kosmischen Strahlung in greifbare Nähe gerückt. In diesem Projekt werden mehrere, methodisch leicht unterschiedliche Ansätze verfolgt. Zum einen wird in der Umgebung gemessener UHECR nach Neutrino-Quellen gesucht, und umgekehrt wird für die Richtung gemessener kosmischer Neutrinos nach einer Anhäufung von UHECR gesucht. Zusätzlich wird eine einfache Zweipunkt-Richtungskorrelation durchgeführt. Zu diesem Zweck werden die experimentellen Daten von etwa zehn Jahren Messzeit der beiden führenden Observatorien für kosmische Strahlung (Pierre Auger Observatorium und Telescope Array) mit den beiden führenden Teleskopen für hochenergetische Neutrinos (IceCube Neutrino Observatorium und ANTARES Experiment) kombiniert. Damit, und mit verbesserten Methoden, kann die Sensitivität gegenüber vorherigen Korrelationsmessungen erheblich gesteigert werden. Als Ergebnis wird keine statistisch signifikante Korrelation beobachtet und zuvor berichtete Anzeichen für eine mögliche Korrelation können so falsifiziert werden. Als Ergebnis der Nichtbeobachtung einer Korrelation werden Ausschlussgrenzen auf mögliche korrelierte Flüsse berechnet, die jedoch stark von astro-physikalischen Modellannahmen abhängen. Als Gesamtergebnis deuten sich mehrere Möglichkeiten an: es könnten UHECR stärker abgelenkt werden als vermutet, entweder aufgrund höherer Ladung oder stärkerer Magnetfelder; oder korrelierte Neutrinoflüsse aus nahe gelegenen Quellen von UHE-CR müssten relativ schwach sein, sodass sie nicht statistisch signifikant entdeckt werden können. Im Umkehrschluss wäre die Mehrzahl der für den kosmischen Neutrinofluss verantwortlichen Quellen nicht für den lokal beobachteten Fluss von UHECR verantwortlich. Die Ergebnisse wurden in einer gemeinsam erarbeiteten Publikation aller etwa 1000 beteiligten Wissenschaftler/innen der vier beteiligten Kollaboration in einer Fachzeitschrift mit Qualitätssicherung zur Publikation eingereicht. Verschiedene Vorveröffentlichungen erfolgten bereits auf Fachkonferenzen und im Rahmen von Abschlussarbeiten. Neben diesen aus der Nichtbeobachtung einer Korrelation abgeleiteten Erkenntnissen hat sich im Rahmen des Projektes auch eine methodisch neuartige Analysemethode für Korrelationsmessungen in der Multimessenger-Astroteilchenphysik ergeben. Diese hat bereits in mehreren anderen Projekten erfolgreich Anwendung gefunden, wobei auch deren Ergebnisse in wissenschaftlichen Zeitschriften publiziert wurden.
Publications
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Search for a correlation between the UHECRs measured by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array and the neutrino candidate events from IceCube and ANTARES. EPJ Web of Conferences, 210, 03003.
Aublin, J.; Coleiro, A.; Kouchner, A.; Al Samarai, I.; Barbano, A.; Montaruli, T.; Schumacher, L.; Wiebusch, C.; Caccianiga, L.; Ghia, P.L.; Giaccari, U.; Golup, G.; Sagawa, H. & Tinyakov, P.
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Search for Correlations of High-energy Neutrinos and Ultra-high Energy Cosmic Rays. Proceedings of 36th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2019), 842. Sissa Medialab.
Barbano, Anastasia Maria et al.
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Search for correlations of high-energy neutrinos and ultrahigh- energy cosmic rays. EPJ Web of Conferences, 207, 02010.
Schumacher, Lisa
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A Search for IceCube Events in the Direction of ANITA Neutrino Candidates. The Astrophysical Journal, 892(1), 53.
Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alispach, C.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S.; Backes, P.; Bagherpour, H.; Bai, X.; V., Balagopal, A.; Barbano, A. ... & Zöcklein, M.
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IceCube Search for Neutrinos Coincident with Compact Binary Mergers from LIGO-Virgo’s First Gravitational-wave Transient Catalog. The Astrophysical Journal Letters, 898(1), L10.
Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alispach, C.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S.; Bagherpour, H.; Bai, X.; V., Balagopal, A.; Barbano, A.; Bartos, I. ... & Zöcklein, M.
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Follow-up of Astrophysical Transients in Real Time with the IceCube Neutrino Observatory. The Astrophysical Journal, 910(1), 4.
Abbasi, R.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alispach, C.; Alves, A. A.; Amin, N. M.; An, R.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Axani, S.; Bai, X.; Balagopal, V. A.; Barbano, A. ... & Zhang, Z.
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Search for the common sources of high-energy cosmic neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays, Dissertation, RWTH University, RWTH Aachen, Germany
Lisa Schumacher
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Search for Spatial Correlations of Neutrinos with Ultra-high-energy Cosmic Rays. The Astrophysical Journal, 934(2), 164.
Albert, A.; Alves, S.; André, M.; Anghinolfi, M. A.; Ardid, S.; Aubert, J.-J.; Aublin, J.; Baret, B.; Basa, S.; Belhorma, B.; Bendahman, M.; Bertin, V.; Biagi, S.; Bissinger, M.; Boumaaza, J.; Bouta, M.; Bouwhuis, M. C.; Brânzaş, H.; Bruijn; R. ... & Zundel, Z.
