Search for ultra high energy neutrinos at the Pierre Auger observatory

Resumo

Aunque el observatorio Pierre Auger fue concebido para la detección de UHECRs, tiene la capacidad de detectar UHE¿s usando la información proporcionada por el detector de superficie. Los UHE¿s juegan un papel clave en la comprensión de las fuentes y los mecanismos de aceleración de los UHECRs. Su detección puede abrir una nueva ventana al universo ya que, al contrario que los UHECRs, los neutrinos apuntan directamente a las fuentes que los produjeron sin ser desviados por los campos magnéticos galácticos ni extragalácticos. Por otro lado, al contrario que los fotones, la información que los neutrinos portan sobre su modelo de producción no se ve alterada hasta el momento de su detección. Diferentes modelos astrofísicos y cosmológicos predicen la producción de neutrinos tanto en las fuentes de UHECRs como en la interacción de estos con el fondo cósmico de microondas durante su propagación. La detección de neutrinos puede confirmar o excluir estos modelos. La idea original de detección de UHE¿s con un detector de superficie como el de Auger se basa en el hecho de que, con los valores tan pequeños de sección eficaz de los neutrinos, estos pueden interaccionar en cualquier punto a lo largo de su trayectoria en la atmósfera, mientras que los protones, núcleos o fotones interaccionan solo en las capas más altas de la atmósfera. Los neutrinos de cualquier sabor que interaccionan en la atmósfera (¿downward-going¿) pueden inducir ¿lluvias extensas¿ cerca del detector de superficie (¿lluvias jóvenes¿) que presentan una gran cantidad de componente electromagnética (fotones, electrones y positrones). Cuando la búsqueda se centra en ¿ngulos cenitales altos (¿ > 75¿ ) la atmósfera es suficientemente gruesa como para absorber la componente electromagnética de los rayos cósmicos que interaccionan en las primeras capas y por lo tanto el frente de la lluvia está dominado por la componente muónica a su llegada al detector de superficie (¿lluvias viejas¿). Una lluvia muy inclinada provocada por un neutrino profundo puede presentar las características de una lluvia joven y puede por lo tanto ser discriminada. Sin embargo, cuando se analizan lluvias menos inclinadas, incluso las iniciadas por protones o núcleos en las primeras capas de la atmósfera pueden presentar una parte importante de componente electromagnética, provocando que las diferencias con las lluvias iniciadas por neutrinos sean cada vez menos evidentes. Hasta ahora, los estudios de neutrinos realizados en el Observatorio Pierre Auger han considerados solo lluvias muy inclinadas (¿ > 75¿ ). El trabajo presentado en esta tesis demuestra que es posible identificar lluvias inducidas por neutrinos a ángulos menores, concretamente en la región angular (60¿ ¿ ¿ ¿ 75¿ ). Las contribuciones más relevantes presentadas en este documento son las siguientes: 1- Búsqueda de Ultra High Energy Neutrinos (UHE¿s ) en la región de bajo ángulo cenital. Se ha presentado un nuevo análisis que pretende la detección de ¿lluvias extensas¿ inducidas por neutrinos interaccionando en la atmósfera en la región angular ¿ ~ [60¿ ¿ 75¿ ]. La clave para la identificación de lluvias inducidas por neutrinos recae en la elección de las variables que permiten seleccionar las lluvias jóvenes inclinadas de entre todo el fondo provocado por los rayos cósmicos. El análisis se basa en una búsqueda ¿blindada¿ para eliminar cualquier posible sesgo en la definición y elección de las variables de selección así como en sus valores de corte. El procedimiento incluye una cadena de simulación de las lluvias inducidas por UHE¿s y de las señales inducidas en los detectores Cherenkov de superficie. Este Monte-Carlo de neutrinos (muestra de señal), junto con un subconjunto de datos recolectados por el Observatorio (muestra de fondo) se han usado para ajustar los algoritmos de selección, encontrar las mejores variables de discriminación y construir y entrenar un polinomio de discriminación basado en un discriminante Fisher. El ángulo reconstruido de la lluvia se usa para filtrar las lluvias inclinadas mientras que la selección de lluvias jóvenes se hace exigiendo que una alta fracción de las estaciones usadas para definir el máximo nivel de calidad de cada evento tenga señales de larga duración. El polinómio Fisher es entrenado usando una variable definida como la señ al integrada en tiempo dividida por su valor de pico para cada estación seleccionada. La decisión final sobre si un evento es o no provocado por un neutrino, se basa en un corte en su valor Fisher que depende del ángulo del eje de la ¿lluvia¿. Solo una vez que los criterios de selección e identificación están fijados, los datos no usados como muestra de entrenamiento en el periodo comprendido entre el 1 de Enero de 2004 y el 31 de Mayo de 2010 son usados como muestra de búsqueda. No se ha encontrado ningún candidato a neutrino. Por lo tanto, asumiendo un flujo difuso de UHE¿s en la forma J(E) = dN /dE = k · E¿² , una fracción de sabor (1:1:1) y cero fondo esperado, se ha calculado un límite superior al flujo al 90 % C.L. Usando una extensión semi-Bayesiana del tratamiento de Feldman&Cousins, que permite incorporar las incertidumbres sistemáticas en la exposición del detector a neutrinos, el límite para la constante de normalización k del flujo es: k(90%CL) < 6,3 × 10¿¿ GeV cm¿² s¿¹ sr¿¹ (Downward-going ¿ bajo ángulo) válido en el rango energético E¿ ¿ [1,9 × 10¹¿ ¿ 2,0 × 10²¿ ] eV, donde el ~ 90 % de los neutrinos emitidos con un flujo de la forma E¿² serían detectados. Los resultados de este trabajo muestran una contribución significativa a la exposición a neutrinos, especialmente a las mayores energías extendiendo la sensibilidad del Observatorio a neutrinos más energéticos. 2- Mejora del límite al flujo difuso de neutrinos tau interaccionando en la corteza terrestre. El análisis basado en la b ¿squeda de neutrinos interaccionando en la corteza terrestre ha sido actualizado y revisado, especialmente en lo que concierne al tratamiento de la polarización del tau y su impacto en las incertidumbres sistemáticas. Además, el periodo analizado por este análisis se ha extendido hasta el 31 de Mayo de 2010. No se han encontrado candidatos a neutrino en los datos. La exposición a neutrinos con este análisis se ha recalculado en el nuevo periodo de búsqueda y de nuevo, asumiendo un flujo difuso de UHE¿s de la forma J(E) = dN /dE = k · E¿² , y cero fondo esperado, se ha calculado un límite superior al flujo al 90 % C.L. k(90%CL < 3,2 × 10¿¿ GeV cm¿² s¿¹ sr¿¹ (Canal Earth-skimming ¿¿ ) válido en el rango energético E¿ ¿ [1,6 × 10¹¿ ¿ 20,8 × 10¹¿] eV, donde el ~ 90 % de los neutrinos emitidos con un flujo de la forma E¿² serían detectados. Los resultados de este trabajo han sido publicados. Es importante remarcar que la máxima sensibilidad de los análisis presentados en este trabajo coincide con la región energética en la que los modelos de producción de neutrinos cosmológicos (neutrinos GZK) predicen el mayor flujo. Por lo tanto, la exposición acumulada en ~10 años de toma de datos podría ser suficiente para detectar un candidato a neutrino, suponiendo que los modelos teóricos no reduzcan sus predicciones en el futuro. Por otra parte, la ausencia de candidatos en ese periodo podría restringir algunos modelos de producción. 3- Sensitividad a fuentes puntuales de UHE¿s. Basado en el resultado negativo de la búsqueda de UHE¿s en el periodo del 1 Enero 2004 al 31 Mayo 2010 documentada en este trabajo, se ha evaluado la sensibilidad a fuentes puntuales de producción de neutrinos. Se ha descrito el método utilizado para evaluar la exposición de cada análisis como función de la energía y la declinación de cada fuente. Con la ausencia de candidatos, se ha calculado un límite superior al flujo proveniente de cada declinación k(PS90%CL) al 90 % C.L. El análisis de neutrinos interaccionando en la corteza terrestre consigue los límites más restrictivos para energías mayores de 1 EeV y para una región angular de más de 100º de declinación. El límite al flujo como función de la declinación consigue un valor mínimo cercano a 5 × 10¿¿ GeV cm¿² s¿¹ cerca de los -50º y los +55º , decreciendo suavemente para declinaciones entre esos dos valores hasta ~ 6 × 10¿¿ GeV cm¿² s¿¹. Aunque los límites al flujo conseguidos por el análisis a bajo ángulo son modestos en comparación con los conseguidos por el análisis de ¿Earth-skimming¿, el primero extiende las declinaciones visibles hasta los ¿80º, una región del cielo que el análisis ¿Earth-skimming¿ no puede observar.