Searching for High-energy Neutrinos from Supernovae with IceCube and an Optical Follow-up Program

Abstract

In violent astrophysical processes high-energy neutrinos of TeV to PeV energies are expected to be produced along with the highest energy cosmic rays. The acceleration of nuclei to very high energies is assumed to takes place in astrophysical shocks and neutrinos are produced in the interaction of these cosmic rays with ambient baryons or photons. The neutrinos then escape the acceleration region and propagate through space without interaction, while the nuclei are deflected in magnetic fields and no longer carry information about their source position. Unlike gamma-rays, neutrinos are solely produced in hadronic processes and can therefore reveal the sources of charged cosmic rays.<br /> The IceCube neutrino detector, which is located at the geographical South Pole, has been build to detect these high-energy astrophysical neutrinos. The deep clear Antarctic ice is instrumented with light sensors on a grid, thus forming a Cherenkov particle detector, which is capable of detecting charged particles induced by neutrinos above 100 GeV.<br /> Transient neutrino sources such as Gamma-Ray Bursts (GRBs) and Supernovae (SNe) are hypothesized to emit bursts of high-energy neutrinos on a time-scale of ≤ 100 s. While GRB neutrinos would be produced in the high relativistic jets driven by the central engine, corecollapse SNe might host soft-relativistic jets which become stalled in the outer layers of the progenitor star and lead to an efficient production of high-energy neutrinos.<br /> This work aims for an increased sensitivity for these neutrinos and for a possible identification of their sources. Towards this goal, a low-threshold optical follow-up program for neutrino multiplets detected with IceCube has been implemented. If a neutrino multiplet – i.e. two or more neutrinos from the same direction within 100 s – is found by IceCube a trigger is sent to the Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE). The 4 ROTSE telescopes immediately start an observation program of the corresponding region of the sky in order to detect a possible optical counterpart to the neutrino events.<br /> Complementary to previous transient neutrino searches, which have been performed offline on IceCube data on source regions and time windows provided by gamma-ray satellites, this neutrino search is applied – for the first time – in real time to neutrino data at the South Pole. It is sensitive to transient objects, including those which are gamma-ray dark or not detected by gamma-ray satellites. In addition to a gain in sensitivity, the optical observations may allow the identification of the transient neutrino source, be it a SN, a GRB or any other transient phenomenon producing an optical signal. Hence, it enables to test the hypothesis of soft relativistic jets in SNe and may shed light on the connection between GRBs, SNe and relativistic jets.<br /> The content of this work are the development and implementation of the optical follow-up program as well as the analysis of the data collected in the first year of operation. No statistically significant excess in the rate of neutrino multiplets has been observed and furthermore no coincidence with an optical counterpart was found. However, for the first time stringent limits can be set on current models predicting a high-energy neutrino flux from soft relativistic hadronic jets in core-collapse SNe. It can be concluded that a sub-population of SNe with jets with a typical Lorentz boost factor of 10 and a jet energy of 3 × 10⁵¹ erg does not exceed 4:2% at 90% confidence.

<strong>Suche nach Hoch-energetischen Neutrinos von Supernovae mit IceCube und einem Optischen Nachbeobachtungsprogramm</strong><br /> In energiereichen astrophysikalischen Prozessen erwartet man die Produktion von Neutrinos mit Energien im TeV bis PeV Bereich Seite an Seite mit der Produktion der hochenergetischen komischen Strahlung. Die Beschleunigung der Kerne zu den gemessenen hohen Energien findet vermutlich in astrophysikalischen Schocks statt. In Wechselwirkungen mit den umgebenden Baryonen und Photonen werden dann Neutrinos produziert. Diese Neutrinos können die Beschleunigungsregion verlassen und propagieren ungehindert durch den Raum, während die Kerne in intergalaktischen Magnetfeldern abgelenkt werden und sich ihre Quellen somit nicht mehr zurück verfolgen lassen. Im Gegensatz zu Photonen werden Neutrinos ausschließlich in hadronischen Prozessen erzeugt und erlauben es so, die Quellen der kosmischen Strahlung zu identifizieren.<br /> Zum Nachweis dieser astrophysikalischen Neutrinos wurde am geographischen Südpol der Neutrinodetektor IceCube gebaut. Das tiefe antarktische Eis wurde dafür mit Lichtsensoren ausgestattet und auf diese Weise in einen Tscherenkov Teilchendetektor verwandelt, welcher geladene Teilchen nachweisen kann, die durch Neutrinos mit Energies oberhalb von 100 GeV induziert werden.<br /> Theoretische Modelle sagen vorher, dass transiente Neutrinoquellen wie Gammastrahlungsausbrüche (GRBs) und Supernovae (SNe) kurze Ausbrüche – sogenannte “Bursts” – von hochenergetischen Neutrinos auf einer Zeitskala von ≤ 100 s emittieren. Während GRB Neutrinos in hoch relativistischen Jets produziert werden, könnten Kernkollaps-Supernovae (CCSNs) einen schwach relativistischen Jet beherbergen, dem es nicht gelingt, die äußere Hülle des Vorgängersternes zu durchdringen, sondern der darin zum Stillstand kommt und so für effiziente Neutrinoproduktion sorgt.<br /> Ziel diese Arbeit ist die Verbesserung der Sensitivität für die Messung diese Neutrinos und die Identifikation ihrer Quellen. Dafür wurde ein optisches Nachverfolgungsprogramm für Neutrinomultipletts entwickelt, welche mit dem IceCube Neutrinodetektor gemessen werden. Falls ein Neutrinomultiplett – d.h. mindestens zwei Neutrinos aus der gleichen Richtung innerhalb von 100 s – von IceCube gefunden wird, wird ein Trigger an das Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE) gesendet. Die vier ROTSE Teleskope starten unmittelbar ein Beobachtungsprogramm für die entsprechende Richtung am Himmel, um ein optisches Gegenstück zu den Neutrinoereignisse detektieren zu können.<br /> Im Gegensatz zu den bisher durchgeführten Suchen nach transienten Neutrinoquellen, welche offline durchgeführt und durch die von Gammastrahlensatelliten bereitgestellte Informationen getriggert werden, wird diese Analyse als bislang erste Analyse in Echtzeit auf Neutrinodaten am Südpol angewendet. Sie ermöglicht die Detektion von transienten Objekten, einschließlich solcher, die keine Gammastrahlen emittieren oder die nicht von Satelliten beobachtet werden können. Zusätzlich zu einer Verbesserung der Sensitivität können die optischen Beobachtungen eine Identifikation der Quelle erlauben, unabhängig davon, ob es sich um eine SN, einen GRB oder eine anderes transientes Phänomen handelt, das ein optisches Signal erzeugt. Folglich kann mit dieser Methode das Modell für schwach relativistische Jets in SNe getestet, sowie Aufschluß über die Verbindung zwischen GRBs, SNe und relativistischen Jets gegeben werden.<br /> Der Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Durchführung des optischen Nachverfolgungsprogramms sowie die Analyse der Daten, welche während des ersten Jahres des Betriebs aufgenommen wurden. In den Daten wurde weder ein statistisch signifikanter Exzess der Neutrinomultiplettrate noch ein optisches Gegenstück zu einem der Neutrinomultipletts gefunden. Diese Analyse erlaubt daher zum ersten mal ein strenges Limit auf aktuelle Modelle zu setzen, welche einen Fluss hochenergetischer Neutrinos aus schwach relativistischen hadronischen Jets in Kernkollaps-Supernovae vorhersagen. Es kann mit einem Vertrauensintervall von 90% ausgeschlossen werden, dass die Subpopulation von SNe mit Jets mit typischen Lorentz Boost Faktoren von 10 und Jetenergien von 3 × 10⁵¹ erg 4:2% überschreitet.<br /> Komplette Version ist aus urheberrechtlichen Gründen vorübergehend gesperrt.