Astrophysical Tau Neutrinos in IceCube

• Main Author: Stachurska, Juliana
• Other Authors: Kowalski, Marek
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin 2020
• Subjects: Neutrinos; Neutrino Astronomie; Astroteilchenphysik; Neutrino Flavor; Tau Neutrinos; IceCube; Neutrino Astronomy; Astroparticle Physics; 530 Physik; ddc:530
• Online Access: http://edoc.hu-berlin.de/18452/22522; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:11-110-18452/22522-2; http://dx.doi.org/10.18452/21611

Das IceCube Neutrino Observatorium am Südpol hat die Existenz eines diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses nachgewiesen. Die Flavor-Zusammensetzung astrophysikalischer Neutrinos trägt Informationen über Orte kosmischer Teilchenbeschleunigung und Auswirkungen potenzieller neuer Physik auf die Neutrinoausbreitung. Zur seiner Bestimmung ist die Beobachtung von Tau-Neutrinos nötig. Ab einer Energie von ~O(100 TeV) kann deren Wechselwirkung über geladene Ströme eine Doppelkaskaden-Topologie ergeben, bei der die zwei Energiedepositionen am Tau-Entstehungs- und Tau-Zerfallsvertex aufgelöst werden können. Diese wird zusammen mit den bereits bekannten Topologien Einzel-Kaskade und Spur zur Messung der Flavor-Zusammensetzung auf der Erde benutzt. In dieser Arbeit werden im Detektorvolumen von IceCube anfangende Ereignisse mit hohen Energien algorithmisch in drei Topologien klassifiziert. Im Datensatz mit einer Lebensdauer von 7.5 Jahren werden zum ersten Mal zwei Doppelkaskaden identifiziert; diese sind Kandidaten für Tau-Neutrinos. Die Eigenschaften der zwei Tau-Neutrino-Kandidaten werden in einer a-posteriori Analyse im Detail studiert. Die statistische Methode wird durch einen Log-Likelihood-Quotienten-Test mit multi-dimensionalen Wahrscheinlichkeitsdichten verbessert. Eine der Doppelkaskaden ist konsistent mit dem Szenario einer misklassifizierten Einzelkaskade, während für die zweite Doppelkaskade die Wahrscheinlichkeit eines nicht-Tau-Neutrino Szenarios auf nur 3% bestimmt wird. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ist konsistent mit der Annahme von astrophysikalischen Neutrinos sowie mit bisher veröffentlichen Resultaten. Die Messung ergibt einen astrophysikalischen Tau-Neutrino Fluss von dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1), was dem ersten positiven Ergebnis für die Tau-Normalisierung entspricht. Die Nichtexistenz eines astrophysikalischen Tau-Neutrino Flusses wird mit einer Signifikanz von 2.8 sigma abgelehnt. === The IceCube neutrino observatory at the South Pole has confirmed the existence of a diffuse astrophysical neutrino flux. The flavor composition of astrophysical neutrinos carries information on the environments at the sites of cosmic particle acceleration as well as potential imprints of new physics acting during neutrino propagation. To measure the flavor composition the observation of the long-elusive tau neutrinos is required. Starting at an energy of ~O(100 TeV) a tau neutrino charged current interaction can produce a double cascade topology, where the two energy depositions from the tau creation and the tau decay vertices are resolvable. This topology together with the well-established track and single cascade topology is used to measure the flavor composition on Earth. In this work, high-energy events starting in IceCube's detector volume are classified algorithmically into the three topologies. In the dataset with a livetime of 7.5 years, two events are classified as double cascades for the first time, yielding multi-TeV tau-neutrino candidates. The properties of the two tau-neutrino candidates are investigated in an a-posteriori analysis. The statistical method is improved by performing a log-likelihood-ratio test using multi-dimensional probability densities. One of the double cascades is consistent with being a misclassified single cascade, while the second double cascade is found to have a misclassification probability of only 3%. The measured flavor composition nu_e:nu_mu:nu_tau = 0.20:0.39:0.42 is consistent with astrophysical neutrinos and with previously published results. The astrophysical tau-neutrino flux is measured to dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1) with spectral index gamma=2.87 (-0.20,+0.21), yielding the first non-zero results for the tau normalization. The absence of an astrophysical tau-neutrino flux is disfavored at 2.8 sigma.