Search for the common sources of high-energy cosmic neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays

Schumacher, Lisa Johanna; Kouchner, Antoine; Wiebusch, Christopher

doi:10.18154/RWTH-2021-04560

Search for the common sources of high-energy cosmic neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays = Suche nach den gemeinsamen Quellen von hochenergetischen kosmischen Neutrinos und ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung

Schumacher, Lisa Johanna^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lisa Johanna Schumacher, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Kouchner, Antoine (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04560
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/818667/files/818667.pdf

Einrichtungen

Projekte

Suche nach Korrelationen in den Ankunftsrichtungen hochenergetischer kosmischer Neutrinos und höchstenergetischer geladener kosmischer Strahlung (405982978) (405982978)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
astronomy (frei) ; astrophysics (frei) ; cosmic rays (frei) ; high-energy (frei) ; neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
Seit der ersten Beobachtung von ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays, UHECRs) mit einer Energie um\SI{e20}{\eV} ist die Frage nach ihrem Ursprung ein zentraler Aspekt der Hochenergie-Astrophysik. Aufgrund des extrem niedrigen Flusses von UHECRs und ihrer Ablenkung ingalaktischen und intergalaktischen Magnetfeldern war es bisher nicht möglich, die Quellen von UHECRs eindeutig zu identifizieren. Ein möglicher Ansatz zur Identifizierung der Quellen besteht darin, die Ankunftsrichtungen der UHECRs mit denen von astrophysikalischen Neutrinos zu korrelieren. Das IceCube Neutrino Observatorium hat einen Fluss von astrophysikalischen Neutrinos im Energiebereich von TeV-PeV entdeckt, der weitgehend isotrop ist und damit auf einen primär extra-galaktischen Ursprung hindeutet. Darüber hinaus ist der Neutrinofluss nah an der Waxman-Bahcall-Grenze, was wiederum auf eine Verbindung zu den Quellen von UHECRs hindeutet. In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Korrelation der Ankunftsrichtungen von UHECRs mit punktförmigen Neutrinoquellen präsentiert, wobei auch die magnetische Ablenkung der UHECRs berücksichtigt wird. Die Analyse wird auf vier Datensätze angewandt; zwei UHECR-Datensätze, die vom Pierre Auger Observatorium und vom Telescope Array zur Verfügung gestellt werden, und zwei von IceCube und ANTARES bereitgestellte Datensätze. Zusammen gewährleisten diese vier Datensätze eine Abdeckung des gesamten Himmels sowohl für UHECRs als auch für Neutrinos. Die neuartige Methode erlaubt es, einen großen, aber vom Untergrund dominierten Datensatz von hochenergetischen Myon-Neutrinos zu nutzen, der für die Suche nach Punktquellen optimiert ist. Die experimentellen Ergebnisse sind alle mit der Nullhypothese kompatibel, welche besagt dass es keinen signifikanten Fluss aus Neutrinoquellen in der Nähe der UHECRs gibt. Abschließend werden Obergrenzen für den Neutrinofluss pro Quelle berechnet, die im Bereich zwischen \SIrange{2e-10}{1e-9}{\per \GeV \per \centi\meter\squared \per \second} liegen, unter Annahme eines Spektrums proportional zu$(E/\SI{1}{\GeV})^{-2}$.Der Bereich der Obergrenzen wird durch die angenommenen Signalmodelle bestimmt, die wiederum durch die Anzahl der Neutrinoquellen sowie die Anzahl, Energie und Ladung der UHECRs definiert sind.

Since the first observation of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) with an energy around \SI{e20}{\eV} decades ago,the question of their origin has been a central aspect of high-energy astrophysics. Due to the extremely low flux of UHECRs and their deflection in galactic and intergalactic magnetic fields, it has not yet been possible to unambiguously identify the sources of UHECRs. A possible approach to identify the sources is to correlate the UHECR arrival directions with high-energy astrophysical neutrinos. The IceCube Neutrino Observatory has discovered a flux of astrophysical neutrinos in the TeV-PeV energy range, which is largely isotropic and thus indicates a primarily extra-galactic origin. Moreover, the neutrino flux is close to the Waxman-Bahcall bound, which in turn suggests a connection to the sources of UHECRs. In this thesis,a novel method for correlating the UHECR arrival directions with neutrino point-sources is presented, while also accounting for the magnetic deflection of the UHECRs. The analysis is applied to four data sets; two UHECR data sets provided by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array,and two data sets provided by IceCube and ANTARES. Together, these four data sets ensure a full-sky exposure for both UHECRs and neutrinos. The novel method allows to utilize a large, but background-dominated data sets of high-energy muon neutrinos optimized for point-source searches. The experimental results are all compatible with the null hypothesis of no significant flux from neutrino sources in the vicinity of the UHECRs. Finally, upper limits on the neutrino flux per source are calculated,which range between \SIrange{2e-10}{1e-9}{\per \GeV \per \centi\meter\squared \per \second}assuming a spectrum proportional to $(E/\SI{1}{\GeV})^{-2}$. The range of the limits is determined by the assumed signal models, which are defined by the number of neutrino sources, as well as the number, energy and charge of UHECRs.

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