Searches for Neutrinos from Supernovae Using Cherenkov In-Ice Detectors

Abstract

Supernovae mark the violent death of massive stars. They are among the most energetic processes known to exist in the Universe. Neutrinos play crucial roles in supernova processes. Besides the low-energy neutrinos emitted during the core-collapse process of the supernova, there may be neutrinos of much higher energies that are generated after the core-collapse.<br /> In this work, a new detector embedded in Antarctic glacier ice is studied, with sensitivity to extra-galactic supernova low-energy neutrino bursts. It is demonstrated that the development of optical sensors with large effective area and low noise rate is a requirement. For the proposed detector, several extra-galactic supernova neutrino detections per year are feasible.<br /> In addition, a multi-messenger data analysis program is carried out, which registers high-energy neutrino bursts with the IceCube detector and triggers follow-up observations with optical telescopes. No significant excess of neutrino bursts is found. Therefore, upper limits on the jet supernova model are derived. For model values of the jet Lorentz factor Γ_jet = 10 and the jet kinetic energy E_jet = 3 × 10⁵¹ erg, only about 8% of all core-collapse supernovae<br /> hosting a jet are consistent with the data.

<strong>Suche nach Supernova-Neutrinos mit Cherenkov-Detektoren in Eis</strong><br /> Supernovae sind gewaltige Explosionen am Lebensende massereicher Sterne. Sie gehören zu den energiereichsten bekannten Prozessen im Universum. Neutrinos spielen entscheidende Rollen während und nach Supernova-Explosionen. Neben den niederenergetischen Neutrinos, die während des Kernkollapsprozesses der Supernova emittiert werden, könnten Neutrinos von sehr viel höherer Energie nach dem Kernkollaps enstehen.<br /> In dieser Arbeit wird ein neues Detektorkonzept untersucht, mit Sensitivität für extragalaktische niederenergetische Supernova-Neutrino-Blitze. Die Notwendigkeit der Entwicklung optischer Sensoren mit großer effektiver Fläche und niedriger Rauschrate wird aufgezeigt. Der untersuchte Detektor könnte mehrere extra-galaktische Supernova-Neutrino-Detektionen pro Jahr liefern.<br /> Weiter wird ein multi-messenger Datenanalyseprogramm durchgeführt, welches hochenergetische Neutrinoblitze mit dem IceCube-Detektor registriert und automatisch Nachfolgebeobachtungen mit optischen Teleskopen auslöst. Kein signifikanter Exzess von Neutrino-Blitzen wird gefunden. Entsprechend werden obere Grenzen auf das Jet-Supernova-Modell berechnet. Für die Modellparameter Lorentzfaktor Γ_jet = 10 und kinetische Energie des Jets E_jet = 3 × 10⁵¹ erg sind höchstens etwa 8% aller Kernkollaps-Supernovae als Träger eines solchen Jets mit den Daten verträglich.