Investigating neutrino oscillations and diffuse cosmic neutrino fluxes with the KM3NeT neutrino telescope
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KM3NeT is a neutrino telescope under construction in the Mediterranean Sea. Among the main goals is the discovery and subsequent study of sources of high-energy neutrinos. Furthermore, the determination of the mass ordering of the three known neutrino types is envisaged which is possible via oscillations of atmospheric neutrinos on their path through Earth. For these goals, two separate detectors are being built: the ARCA detector for high- energy neutrino astronomy, and the ORCA detector dedicated to the determination of the mass ordering. This work presents contributions to both detectors. Based on numerical calculations, neutrino oscillations in the Earth have been analysed in order to predict the susceptibility of the ORCA detector to systematic uncertainties both in the Earth model and in fundamental oscillation parameters describing the neutrino oscillations. Furthermore, the calculation of oscillation probabilities still represents a major bottleneck in the CPU time consumption of ORCA sensitivity studies. A dedicated interpolation algorithm has therefore been devel- oped with the aim to reduce the corresponding computing time by calculating all needed oscillation probabilities in advance. The amount of data needed for these interpolations has been estimated as well. The final computing time needed to run the ORCA sensitivity studies is expected to be reduced by these measures by around three orders of magnitude. In order to increase the sensitivity of the ARCA detector to an isotropic high-energy cosmic neutrino flux, a machine learning algorithm for the classification of neutrino events has been developed. The studies achieve unprecedented sensitivity in the shower channel, a major neutrino event class. The “rediscovery” of the cosmic neutrino signal measured and published by the IceCube collaboration is possible within less than one year obser- vation time. In particular, considering the strongest published signal flux, an observation with 5 σ significance is possible in less than 0.3 years with 50% observation probability, meaning that the chance for a random background fluctuation giving a similar signature is below 2.87 · 10−5 %. Compared to previous ARCA sensitivity analyses in the shower chan- nel, the time needed for such a significant observation is reduced by at least 25% up to about 50% depending on the assumed signal flux hypothesis. Furthermore, besides the potential determination of the so-called prompt atmospheric neutrino flux, the capabilities of the ARCA detector to constrain the spectral shape of an isotropic cosmic neutrino flux has been analysed for the first time within the KM3NeT collaboration. In addition, part of the work performed during the doctoral studies included tutoring of diverse student classes, the maintenance and administration of a Mac client-server system (about 100 users) as well as the work with several Linux systems including an HPC system.
Abstract
KM3NeT ist ein Neutrinoteleskop im Mittelmeer, das sich derzeit in der ersten Konstruktion- sphase befindet. Ziel ist unter anderem der Nachweis und die Untersuchung von Quellen kosmischer Neutrinos und dadurch die Identifikation von Quellen höchstenergetischer kos- mischer Strahlung. Des Weiteren soll mit Hilfe des KM3NeT-Experiments die Massen- rangordnung bzw. Massenhierarchie der drei bekannten Neutrinoarten ermittelt werden. Dies ist möglich durch Oszillationen niedrigenergetischer atmosphärischer Neutrinos beim Durchgang durch die Erde. Zwei separate Detektoren sind für die genannten Ziele vorgese- hen: der ARCA Detektor für die Hochenergie-Neutrinoastronomie, und der ORCA Detektor für die Bestimmung der Massenhierarchie. Diese Arbeit stellt Beiträge zu beiden Detektoren vor. Basierend auf numerischen Berechnungen wurden Neutrinooszillationen in der Erde analysiert, um die Sensitivität des ORCA Detektors auf systematische Unsicherheiten sowohl im Erdmodell als auch in den fundamentalen Oszillationsparametern, die die Neutrinooszillationen beschreiben, vorherzusagen. Außerdem ist die Berechnung der Oszillationswahrscheinlichkeiten sehr zeitaufwändig und stellt einen zeitlichen Engpass bei der Durchführung von Sensitivitätsstu- dien zu ORCA dar. Daher wurde ein dedizierter Interpolationsalgorithmus entwickelt, mit dem Ziel, die benötigte Rechenzeit zu reduzieren und die Oszillationswahrscheinlichkeiten bereits im Voraus zu berechnen. Die dazu nötige Datenmenge wurde ebenfalls abgeschätzt. Die schließlich für die Sensitivitätsstudien benötigte Rechenzeit reduziert sich dadurch um etwa drei Größenordnungen. Durch Verwendung eines Algorithmus zur Neutrinoereignisklassifikation – beruhend auf maschinellem Lernen – wurde die Sensitivität des ARCA Detektors in Bezug auf einen iso- tropen kosmischen Neutrinofluss untersucht. Mit Hilfe von sogenannten Schauerereignis- sen, einem bedeutenden Neutrinoereignistyp, wurde eine noch nie dagewesene Sensitivität erreicht. So ist die signifikante Detektion des von der IceCube Kollaboration gemessenen und veröffentlichten kosmischen Neutrinosignals in weniger als einem Jahr Beobachtungs- zeit möglich. Insbesondere wird mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% einer der stärk- eren veröffentlichten Signalflüsse in weniger als 0.3 Jahren mit einer Signifikanz von 5 σ beobachtet. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein ähnliches Signal alleine durch Hintergrundfluktuationen erzeugt wird, kleiner ist als 2.87 · 10−5 %. Verglichen mit bisherigen ARCA Sensitivitätsanalysen im Schauerkanal wurde die benötigte Zeit für solch eine signifikante Beobachtung um mindestens 25% bis zu ca. 50% reduziert, abhängig vom angenommenen kosmischen Neutrinofluss. Außerdem wurde, zum ersten Mal innerhalb der KM3NeT Kollaboration, sowohl die Sensitivität des ARCA Detektors auf die spektralen Eigenschaften solch eines isotropen kosmischen Neutrinoflusses untersucht als auch die Sensitivität auf den sogenannten prompten atmosphärischen Neutrinofluss. Des Weiteren waren umfangreiche Tutorentätigkeiten, die Verwaltung eines Mac Client- Server Systems (ca. 100 Nutzer) und die Arbeit mit diversen Linux Systemen inklusive eines HPC Systems Teil der Arbeit während der Promotion.