Een Geavanceerde Statistische Aanpak in de Zoektocht naar Astrofysische Tau Neutrino's met IceCube

Simon De Kockere
Deze scriptie bestudeert een statistische methode die de zoektocht naar astrofysische tau neutrino signalen met het IceCube Neutrino Observatorium zou kunnen verbeteren.

Sterrenkunde on the rocks

Het mysterie van de kosmische straling

Begin vorige eeuw kwam men tot de ontdekking dat de aarde voortdurend gebombardeerd wordt door geladen deeltjes die van buiten het zonnestelsel komen, doorgaans de kosmische straling genoemd. Merkwaardig genoeg kunnen deze deeltjes tot wel meer dan tien miljoen keer zo veel energie hebben als wat we met de meest energetische deeltjesversnellers hier op aarde kunnen bereiken.

Wetenschappers zijn zich dan ook beginnen afvragen van waar die deeltjes nu precies vandaan komen en welke fascinerende mechanismen in de ruimte in staat zijn om ze zo veel energie te geven. Al gauw botsten ze echter op een fundamenteel probleem. Doordat de deeltjes geladen zijn, zijn ze onderhevig aan allerlei interacties tijdens hun reis naar de aarde. Zo worden ze bijvoorbeeld afgebogen door magnetische velden, waaronder dat van de aarde zelf, of worden ze verstrooid door wolken van gas en stof. Dit betekent dat het detecteren van de kosmische straling hier op aarde niet kan uitwijzen waar de deeltjes precies vandaan komen en door welke energetische processen ze nu juist versneld worden.

Gelukkig kan een zeer bijzonder elementair deeltje, het neutrino, ons uit deze benarde situatie redden. In tegenstelling tot de kosmische straling draagt het neutrino geen elektrische lading en kan het zo enkel zwakke interacties ondergaan, wat betekent dat het ongestoord doorheen de ruimte kan propageren. Vandaar dat het neutrino ook wel eens ‘het spookdeeltje’ wordt genoemd. We verwachten dat kosmische straling tijdens of kort na het versnellen botst met materie in de omgeving en zo tot productie van neutrino’s leidt. Die neutrino’s bereiken net als de kosmische straling ook de aarde, met het grote verschil dat zij wel wijzen naar hun bronnen. Detectie van neutrino’s zou ons dus op een elegante manier kunnen vertellen waar de kosmische straling vandaan komt en welke versnellingsmechanismen hen zo veel energie kunnen geven.

Het IceCube Neutrino Observatorium

Dit idee leidde tot de constructie van een enorme detector op de Zuidpool, uiteindelijk tot het IceCube Neutrino Observatorium gedoopt en actief sinds 2013. Opgebouwd uit 5160 optische modules verspreid over een kubieke kilometer ijs is het met zijn enorm volume in staat zo’n zelden botsend neutrino toch af en toe eens op te vangen. Een neutrino dat in het ijs een interactie ondergaat geeft aanleiding tot de ontwikkeling van een lichtsignaal dat gedetecteerd wordt door de modules. Op basis hiervan worden dan eigenschappen van het deeltje gereconstrueerd, zoals bijvoorbeeld de richting waaruit het gekomen is, om zo op een vernieuwende manier ons universum te bestuderen. Het observatorium heeft echter te kampen met veel andere signalen die deze van de astrofysische neutrino’s overschaduwen, voornamelijk afkomstig van neutrino’s en andere deeltjes gecreëerd tijdens botsingen van kosmische straling met moleculen in de atmosfeer van de aarde. De voornaamste uitdaging van de meeste IceCube-onderzoeken is dan ook de interessante signalen uit een berg data proberen te filteren.

IceCube lab bovenop de IceCube detector dat zich diep in het ijs bevindt, bron: www.wisconsinacademy.org

De zoektocht naar Double Bang signalen

Voor zover we weten bestaan er in totaal drie verschillende soorten neutrino’s. Elke soort is gelinkt aan een ander elementair deeltje. Zo hebben we het elektron neutrino, gelinkt aan het reeds lang gekende elektron, alsook het muon neutrino en het tau neutrino. Elke soort geeft aanleiding tot andere vormen van lichtsignalen in de detector. Deze scriptie richt zich specifiek op de zoektocht met het IceCube Observatorium naar neutrino’s van de derde soort, de tau neutrino’s. Van tau neutrino’s verwachten we dat ze enkel uit de ruimte kunnen komen. De twee andere soorten neutrino’s worden bijvoorbeeld ook in de atmosfeer gemaakt, en die lijken in eerste instantie erg op deze die uit de ruimte komen. Verder heeft het typische lichtsignaal van zo’n tau neutrino in de detector, het zogenaamde ‘Double Bang’ signaal, ook erg gunstige eigenschappen. Het levert een goede resolutie op bij zowel de bepaling van de energie van het neutrino als de richting waaruit het gekomen is. Het bepalen van de hoeveelheid tau neutrino’s die de aarde bereiken per tijdseenheid levert ook interessante informatie op over de interacties van kosmische straling in de omgeving van hun versnellers. Tot nog toe heeft geen enkel IceCube-onderzoek tau neutrino signalen aan het licht kunnen brengen, gewoonweg omdat ze erg moeilijk te onderscheiden zijn van al de andere signalen.

In mijn scriptie probeer ik de zoektocht naar Double Bang signalen in IceCube van Matthias Vraeghe te verbeteren. Er wordt een methode onderzocht die probeert Double Bang signalen te onderscheiden van de andere signalen, wat we in dergelijke analyses de achtergrondsignalen noemen, aan de hand van een variabele gebaseerd op verschillende parameters. Dit zijn parameters bedacht door Matthias die ons een indicatie geven over hoe hard een gegeven signaal lijkt op zo'n Double Bang signaal. Deze scriptie toont aan dat we kunnen verwachten dat de toevoeging van de methode aan de analyse Matthias' resultaten verder verfijnt. De analyse is dan in staat meer signalen correct als achtergrondsignalen te herkennen, zonder daarbij ook significant meer Double Bang signalen verkeerdelijk als achtergrondsignalen te labelen. Het verwachte aantal Double Bang signalen die de analyse zal kunnen blootleggen in de huidige hoeveelheid IceCube-data blijft dus, net als bij Matthias, wel erg laag. Dit houdt in dat ook deze analyse er op dit moment nog niet in zal slagen tau neutrino signalen in IceCube te onthullen.

Recent toonde het IceCube experiment aan dat de ruimte bestuderen aan de hand van neutrino’s wel degelijk baanbrekende resultaten kan opleveren. Zo’n 100 jaar na de ontdekking van het bestaan van kosmische straling is het observatorium er voor het eerst in geslaagd een bron ervan te identificeren. Het gaat om een blazar, een sterrenstelsel met een snel draaiend massief zwart gat in zijn kern, uit het sterrenbeeld Orion. Het grote succes van het IceCube Observatorium verantwoordt enkele uitbreidingen van de detector, die ons onder andere zullen toelaten efficiënter te kunnen zoeken naar Double Bang signalen. Al staat neutrino-astronomie nog maar in haar kinderschoenen, ze toont alvast veelbelovende resultaten.

Illustratie van een blazar, bron: www.universetoday.com

Foto 1: IceCube lab bovenop de IceCube detector dat zich diep in het ijs bevindt, bron: www.wisconsinacademy.org

Foto 2: Illustratie van een blazar, bron: www.universetoday.com

Bibliografie

[1] F. Halzen and A. D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. Wiley, 1984.

[2] B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, and W. Rodejohann, Particles and Nuclei. Springer, 2015.

[3] The ATLAS Collaboration, “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC,” Phys. Lett. B, vol. 716, pp. 1–29, 2012.

[4] The CMS Collaboration, “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC,” Phys. Lett. B, vol. 716, pp. 30–61, 2012.

[5] C. Patrignani et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, vol. 40, 100001 (2016) and 2017 update.

[6] P. Langacker, The Standard Model and Beyond. CRC Press, 2010.

[7] F. Mandl and G. Shaw, Quantum Field Theory. Wiley, 2010.

[8] M. Thomson, Modern Particle Physics. Cambridge University Press, 2013.

[9] K. Winter, Neutrino Physics. Cambridge University Press, 2000.

[10] G. Rajasekaran, “The Story of the Neutrino,” ArXiv Physics e-prints, 2016.

[11] Published on t2k-experiment.org.

[12] G. Rajasekaran, “Fermi and the Theory of Weak Interactions,” ArXiv Physics e-prints, 2014.

[13] “The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist,” Los Alamos Science, no. 25, 1997.

[14] S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson, “Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles,” Phys. Rev., vol. 51, pp. 263–271, 1937.

[15] J. Street and E. Stevenson, “New Evidence for the Existence of a Particle of Mass Intermediate Between the Proton and Electron,” Phys. Rev., vol. 52, pp. 1003–1004, 1937.

[16] I. V. Aničin, “The Neutrino: Its Past, Present and Future,” ArXiv Physics e-prints, 2005.

[17] G. Danby, J.-M. Gaillard, L. Goulianos, L. Lederman, N. Mistry, M. Schwartz, and J. Steinberger, “Observation of High-Energy Neutrino Reactions and the Existence of Two Kinds of Neutrinos,” Phys. Rev. Lett., vol. 9, pp. 36–44, 1962.

[18] M. Perl et al., “Evidence for Anomalous Lepton Production in e+ - e− Annihilation,” Phys. Rev. Lett., vol. 35, pp. 1489–1492, 1975.

[19] DONUT Collaboration (K. Kodama et al.), “Observation of Tau Neutrino Interactions,” Phys. Lett. B, vol. 504, pp. 218–224, 2000.

[20] M. Ahlers and F. Halzen, “Opening a New Window onto the Universe with IceCube,” ArXiv Physics e-prints, p. 34, 2018. To appear in Progress in Particle and Nuclear Physics.

[21] J. N. Bahcall, “Solar Models: An Historical Overview,” Nuclear Physics B (Proc. Suppl.), vol. 118, pp. 77–86, 2003.

[22] R. Davis, “A Review of the Homestake Solar Neutrino Experiment,” Prog. Part. Nucl. Phys., vol. 32, pp. 13–32, 1994.

[23] W. Gajewski, “Update of Results from the SuperKamiokande Detector,” Physics of Atomic Nuclei, vol. 63, pp. 934–942, 1999.

[24] J. Abdurashitov et al., “Results from SAGE II,” Nuclear Physics B (Proc. Suppl.), vol. 38, pp. 60–67, 1995.

[25] M. Cribier, “Results of the whole GALLEX experiment,” Nuclear Physics B (Proc. Suppl.), vol. 70, pp. 284–291, 1999.

[26] J. N. Bahcall, “Solving the Mystery of the Missing Neutrinos,” ArXiv Physics e-prints, 2004.

[27] SNO Collaboration (Q. Ahmad et al.), “Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory,” Phys. Rev. Lett., vol. 89, p. 6, 2002.

[28] M. Kachelrieß, “Lecture Notes on High Energy Cosmic Rays,” ArXiv Physics e-prints, 2008.

[29] A. D. Angelis. Published on Wikipedia, Oktober 2011.

[30] L. Bonolis, “Walther Bothe and Bruno Rossi: The birth and development of coincidence methods in cosmic-ray physics,” American Journal of Physics, vol. 79, pp. 1133–, 2011.

[31] P. K. Grieder, Extensive Air Showers. Springer, 2010.

[32] Published on https://www.hawc-observatory.org.

[33] R. A. Millikan and G. H. Cameron, “The Origin of the Cosmic Rays,” Phys. Rev., vol. 32, pp. 533–557, 1928.

[34] A. H. Compton, “Variation of the cosmic rays with latitude,” Phys. Rev., vol. 41, pp. 111–113, 1932.

[35] J. Blümer, R. Engel, and J. Hörandel, “Cosmic Rays from the Knee to the Highest Energies,” Prog. Part. Nucl. Phys., vol. 63, pp. 293–338, 2009.

[36] Published on https://www.quantamagazine.org. Original data via S. Swordy, U. Chicago.

[37] The Fermi-LAT Collaboration, “Fermi-LAT Observations of the Diffuse Gamma-Ray Emission: Implications for Cosmic Rays and the Interstellar Medium,” The Astrophysical Journal, vol. 750, p. 35, 2012.

[38] M. H. Israel et al., “Isotopic Composition of Cosmic Rays: Results from the Cosmic Ray Isotope Spectrometer on the ACE Spacecraft,” Nucl. Phys. A, vol. 758, pp. 201–208, 2005.

[39] S. F. SINGER, “Meteorites and Cosmic Rays,” Nature, vol. 170, pp. 728–729, 1952.

[40] D. Caprioli, “Cosmic-ray Acceleration and Propagation,” PoS, vol. 236, p. 24, 2016.

[41] N.E.Yanasak et al., “Cosmic-ray Time Scales Using Radioactive Clocks,” Advances in Space Research, vol. 27, pp. 727–736, 2001.

[42] NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU). Published on Astronomy Picture of the Day, August 2015.

[43] H. Krawczynski and E. Treister, “Active Galactic Nuclei - the Physics of Individual Sources and the Cosmic History of Formation and Evolution,” Front.Phys.(Beijing), vol. 8, pp. 609–629, 2013.

[44] T. Piran, “Gamma-ray Bursts: A Puzzle Being Resolved,” Phys.Rept., vol. 333, pp. 529–553, 1999.

[45] A. Dar, “Are Extragalactic Gamma-ray Bursts the Source of the Highest Energy Cosmic Rays?,” Submitted to: Astrophys. J. Lett., p. 11, 1999.

[46] D. Tosi, “Astrophysical Neutrinos: IceCube Highlights,” Nuclear and Particle Physics Proceedings, vol. 291-293, pp. 167–174, 2017.

[47] T. K. Gaisser, “Neutrino Astronomy 2017,” ArXiv Physics e-prints, 2018.

[48] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Flavor Ratio of Astrophysical Neutrinos above 35 TeV in IceCube,” Phys. Rev. Lett., vol. 114, p. 8, 2015.

[49] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science, vol. 342, p. 38, 2013.

[50] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “A Combined Maximumlikelihood Analysis of the High-energy Astrophysical Neutrino Flux Measured with IceCube,” Astrophys.J., vol. 809, p. 15, 2015.

[51] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “The IceCube Neutrino Observatory: Instrumentation and Online Systems,” JINST, vol. 12, p. 83, 2017.

[52] J.-H. Koehne, K. Frantzen, M. Schmitz, T. Fuchs, and W. Rhode, “PROPOSAL: A Tool for Propagation of Charged Leptons,” Computer Physics Communications, vol. 184, pp. 2070–2090, 2013.

[53] G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement. Wiley, 2010.

[54]L. Rädel and C. Wiebusch, “Calculation of the Cherenkov-light Yield from Electromagnetic Cascades in Ice with Geant4,” Astropart. Phys., vol. 44, pp. 102–113, 2013.

[55] S. Euler, Observation of Oscillations of Atmospheric Neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory. PhD thesis, RWTH Aachen University, 2014.

[56] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Energy Reconstruction Methods in the IceCube Neutrino Telescope,” JINST, vol. 9, p. 20, 2014.

[57] D. F. Cowen (for the IceCube Collaboration), “Tau Neutrinos in IceCube,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 60, pp. 227–230, 2007.

[58] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Search for Astrophysical Tau Neutrinos in Three Years of IceCube Data,” Phys. Rev., vol. D93, p. 11, 2016.

[59] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Limits on a Muon Flux from Kaluza-Klein Dark Matter Annihilations in the Sun from the IceCube 22-string Detector,” Phys. Rev., vol. D81, p. 6, 2010.

[60] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Measurement of Atmospheric Neutrino Oscillations with IceCube,” Phys. Rev. Lett., vol. 111, p. 6, 2013.

[61] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Searches for Sterile Neutrinos with the IceCube Detector,” Phys. Rev. Lett., vol. 117, p. 9, 2016.

[62] IceCube Collaboration (M.G. Aartsen et al.), “Searches for Relativistic Magnetic Monopoles in IceCube,” Eur. Phys. J., vol. C76, p. 18, 2016.

[63] W. Van Driessche, “SPACE.” IceCube internal resource: https://wiki.icecube.wisc.edu/index.php/SPACE. An overview of the IceCube SPACE analysis (Stable Particles with Anomalous ChargE).

[64] S. Verpoest, “Search for Particles with Fractional Charges in IceCube based on Anomalous Energy Loss,” Master’s thesis, Ghent University, 2018.

[65] P. Antonioli et al., “SNEWS: The Supernova Early Warning System,” New J. Phys., vol. 6, p. 25, 2004.

[66] M. Vraeghe, “A Search for Astrophysical Tau Neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory.” To be published.

[67] T. K. Gaisser, “Spectrum of Cosmic-ray Nucleons, Kaon Production, and the Atmospheric Muon Charge Ratio,” Astropart.Phys., vol. 35, p. 6, 2011.

[68] M. Honda, T. Kajita, K. Kasahara, S. Midorikawa, and T. Sanuki, “Calculation of Atmospheric Neutrino Flux Using the Interaction Model Calibrated with Atmospheric Muon Data,” Phys. Rev., vol. D75, 2007.

[69] R. Enberg, M. H. Reno, and I. Sarcevic, “Prompt Neutrino Fluxes from Atmospheric Charm,” Phys. Rev., vol. D78, p. 13, 2008.

[70] Matthias Vraeghe, “IC86 NuTau Double Bang Analysis.” IceCube internal resource: https://wiki.icecube.wisc.edu/index.php/IC86_NuTau_Double_Bang_Analysis. An overview of the search for astrophysical tau neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory by Matthias Vraeghe.

[71] S. Klein, “Recent Highlights from IceCube,” Braz.J.Phys., vol. 44, pp. 540–549, 2013.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de fysica en de sterrenkunde
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Dirk Ryckbosch
Kernwoorden