No description available.

im Postscript-Format

In dieser Arbeit wurde die bereits in der Analyse des KATRIN-Experiments verwendete FSD neu bewertet und eine verbesserte FSD präsentiert. Die neu berechnete FSD wurde unter der Verwendung verbesserter leptonischer Potentialkurven für den Grundzustand von T2 und 3HeT+ erstellt. Für die FSD wurden die Anfangtotalionsyumul Ji =0, 1, 2, 3, 4, 5 und 6 (3HeT+) und Ji = 0, 1, 2, 3 (3HeD+ und 3HeH+) verwendet. Damit werden in dieser Arbeit zum ersten Mal figdinilse für Ji = 2 und 3 für die letzteren beiden berichtet mit einem einheitlichen Binning von 0.01 eV potiential. Hier sind die Endzustandswahrschein- lichkeitsdichten für enthalten die ersten 21 elektronisch angeregten Zustände der 3HeT+, 3HeD+ und 3HeH+ für die anfänglichen Rotationszustände Ji = 0, 1, 2 und 3 von T2 , DT und HT berechnet mit dem Katrin Neutrinomassenmessung 1 (KNM1) binning. Weiterhin wurden 22 elektronisch gebundene Zustände des 3HeH+ . Außerdem konnten die 6 niedrigsten angeregten Zustände verbessert werden. Rovibronische Übergangsenergien für H2 , DT, HT, 3HeH+, 4HeH+, 3HeD+ und 4HeD+ Isotope wurden berechnet und mit den vorhandenen Literaturdaten verglichen. Darüber hinaus werden auch Dipolmomente für neue Kernabstände angegeben, welche als Motivation für weiterführende Rechnungen dienen sollen. Erstmals wurden die integrierten Photoionisationsquerschnitte für H2 und HeH+ werten mit Hilfe der reelen Skalierung berechnet. / This thesis has re-evaluated the FSD already used in the analysis of the neutrino mass by the KATRIN collaboration and presented a new improved FSD. The new FSD has been computed using the newly calculated improved potential curves for the electronic ground state of the T2 and HeH+ as well as the electronic transition matrix elements. This has been performed for the electronic ground state of 3HeT+ for the initial rotational states Ji = 0, 1, 2, 3, 4, 5 and 6, 3HeH+ and 3HeD+ for Ji = 0, 1, 2, and 3 whereby Ji = 2 and 3 for the last two molecular isotopes are reported for the first time using a uniform binning of 0.01 eV. Included are also the final-state probability densities for the first 21 electronically excited states of the 3HeT+ , 3HeD+ and 3HeH+ for the initial rotational states Ji = 0, 1, 2 and 3 of T2 , DT and HT respectively calculated using the KATRIN Neutrino mass Measurement 1 (KNM1) binning. The electronic continuum spectrum for the three isotopes for Ji = 0 of T2 , DT and HT has also been calculated. This thesis contains newly calculated 22 electronically bound states of HeH+ . Reported are improved (so far best) results for the six lowest lying electronic states of the HeH+ . Rovibronic transition energies for the H2 , DT, HT, 3HeH+, 4HeH+, 3HeD+, and 4HeD+ have been calculated and the new results have been compared to available literature data. Reported are also transition dipole moments for internuclear distances that have not been published in the past for the two molecules which serves as motivation for more work using other approaches. For the first time, the integrated photoionization cross sections for molecular H2 and HeH+ are calculated using the real-scaling method.

Das IceCube-Experiment sucht nach astrophysikalischen, hochenergetischen Neutrinos, von deren Entdeckung man sich Antworten auf die seit mehr als 100 Jahren offene Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung erhofft. Zu diesem Zweck wurde ein kubikkilometergroßes Volumen tief im Antarktischen Eisschild mit optischen Sensoren instrumentiert, um die in Neutrinowechselwirkungen entstandene Cherenkov-Strahlung nachzuweisen.Diese Dissertation beschreibt eine Suche nach neutrinoinduzierten Teilchenschauern in Daten, die von April 2008 bis Mai 2009 während der Konstruktionsphase von IceCube aufgezeichnet wurden. Zu dieser Zeit war etwa die Hälfte der endgültigen Detektoranordnung in Betrieb. Das Ziel der Arbeit war die Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos mit der Maßgabe, gleichzeitig eine Sensitivität für Neutrinos terrestrischen Ursprungs aufrecht zu erhalten. Beide Sorten von Neutrinos müssen von einem vielfach größeren Untergrund von atmosphärischen Myonen isoliert werden. Die Suche nach Teilchenschauern im Detektor bietet sich hierfür an, da diese Signatur einer Neutrinowechselwirkung eine gute Energierekonstruktion ermöglicht und sich qualitativ von der Signatur des Myonuntergrunds unterscheidet. Eine robuste Abschätzung des Myonuntergrunds wurde mittels Luftschauersimulationen gewonnen. Methoden wurden entwickelt, um Neutrinos und Myonen voneinander zu unterscheiden. Zwei verschiedene Ereignisselektionen wurden erstellt. Die erste zielt mit einer Energieschwelle von 2 TeV auf die Messung atmosphärischer Neutrinos ab und fand einen geringen Überschuss an Ereignissen der quantitativ gut mit atmosphärischen Neutrinos erklärt werden kann, jedoch nicht signifikant genug ist, um einen rein myonischen Ursprung auszuschließen. Die zweite Selektion war mit einer Energieschwelle von 100 TeV für astrophysikalische Neutrinos optimiert. Der gefundene Überschuss ist kompatibel mit einer stringenteren Flussmessung, die mit dem fertiggestellten IceCube Detektor gelang. / The IceCube experiment aims at the detection of an astrophysical high-energy neutrino flux from which answers are expected regarding the long standing question of the origin of cosmic rays. To this end, a cubic-kilometer volume deep in the glacial ice has been instrumented with digital optical sensors in order to record Cherenkov light emitted by charged secondary particles that are generated in neutrino interactions. This dissertation presents a search for neutrino-induced particle showers, also called cascades, in data taken between April 2008 and May 2009 during IceCube’s construction phase, when about 50% of the final configuration was deployed and operational. The goal of this analysis is the detection of the astrophysical diffuse neutrino flux while maintaining sensitivity to neutrinos originating from the Earth’s atmosphere. Both neutrino fluxes must be separated from a much more abundant background of muons created in cosmic-ray-induced air showers. Good energy reconstruction and a signature in the detector that is qualitatively different from the muon background make cascade searches very well-suited for this task. A robust estimate of this background has been obtained from air-shower simulations. Techniques were developed to isolate the neutrino flux from the atmospheric muon background. Two event selections were prepared. Firstly, a low-energy sample with an energy threshold of about 2 TeV aimed at the detection of atmospheric neutrinos. A small excess above atmospheric muons was found that can be explained well by atmospheric neutrinos but is not significant enough to rule out a muon-only hypothesis. Secondly, a high-energy sample with an energy threshold of about 100 TeV targeted astrophysical neutrinos. A 2.7 sigma excess over the expectation from atmospheric muons and neutrinos was found. It is compatible with ­more stringent flux estimates obtained by measurements with the completed IceCube detector.

Neutrinooszillation, ein Phänomen, das den Neutrino-Flavour nach ihrer Ausbreitung durch den Weltraum verändern kann, ist ein Beweis für nicht-verschwindende Neutrinomassen und ein Hinweis auf eine neue Physik außerhalb des Standardmodells. Diese Arbeit präsentiert die erste Messung zu atmosphärischen Neutrinooszillationen, die sechs Jahre zwischen Mai 2011 und Mai 2017 des IceCube DeepCore Experiment umfasst. Sie erweitert die bisher verfügbare Ereignisauswahl um eine neue Ereignissignatur und einen großeren Energiebereich. Diese Arbeit beschreibt die Methoden, die für die Simulationen der Wechselwirkungen der Neutrinos, die Ereignisauswahl, die Rekonstruktion und die statistische Behandlung von Messdaten und systematischen Messunsicherheiten benutzt werden. Die beste Abschätzung für die Neutrino-Mischungsparameter ist $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ und $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.) und gehört zurzeit zu den präzisesten Messungen atmosphärischer Neutrinos. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Standard-Drei-Flavour-Modell überprüft, indem ein steriles Neutrino mit einer Masse in der Größenordnung von 1 eV eingeführt wird. Die Suche nach Effekten steriler Neutrinos auf atmosphärischen Neutrinooszillationen wird auf drei Jahren Daten, genommen zwischen Mai 2011 und Mai 2014, durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Standard-Modell der Drei-Neutrino-Oszillation überein, was zu den Obergrenzen für sterilen Neutrino-Mischungsparameter $|U_{\mu4}|^2<0.11$ und $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) für $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$ führt. Dieser Ergebnis ist derzeit die stringenste Obergrenze für $|U_{\tau4}|^2$. / Neutrino oscillations, a phenomenon that can change the flavour of neutrinos after their propagation through space, are a proof of non-zero neutrino masses and are an indication of new physics beyond the Standard Model. This work presents the first measurement of the atmospheric neutrino oscillations using six years of IceCube DeepCore data taken between May 2011 and May 2017. It extends the previously available event selection to include new event signatures and to use an extended energy range. This work discusses the techniques used for simulation of neutrino interactions, event selection, reconstruction, and the statistical treatment of data and systematic uncertainties. The best estimates for the neutrino mixing parameters are $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ and $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.), which are currently among the most precise measurements obtained with atmospheric neutrinos. In addition, this work tests the standard three-flavour paradigm by introducing one sterile neutrino with a mass on the order of 1~eV. The search for sterile neutrino effects in atmospheric neutrino oscillations is performed with three years of data taken between May 2011 and May 2014. The results are consistent with the standard three-neutrino oscillation picture, leading to limits on the allowed sterile neutrino mixing of $|U_{\mu4}|^2<0.11$ and $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) for $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$. Currently, the limit for $|U_{\tau4}|^2$ is the most stringent in the World.

Der Neutrinofluss der durch die Wechselwirkung hochenergetischer kosmischer Strahlung mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund entsteht, produziert etwa 0.1 Ereignis/km^3 und Jahr. Um in wenigen Jahren eine ausreichende Anzahl an Ereignissen zu selektieren, muss ein Volumen von mindestens 100 km^3 instrumentiert werden. Die groessten aktuell im Bau befindlichen Detektoren, mit einem Volumen bis zu 1 km^3, benutzen optische Sensoren um das Licht zu detektieren, das durch die Neutrinowechselwirkungen produziert wird. Aus Kostengruenden ist es nicht moeglich mit dieser Technologie 100 mal groessere Detektoren zu bauen. Eine Alternative besteht darin, die durch den bei der Neutrinowechselwirkung entstehenden Teilchenschauer hervorgerufenen akustischen Signale und Radiosignale oder deren Kombination nachzuweisen. Eis ist dafuer ein vielversprechenden Medium, weil es die Moeglichkeit bietet alle drei Signal (optisch, akustisch, radio) nachzuweisen. Eine Grundvoraussetzung fuer die Entwicklung eines solchen Detektors ist die Bestimmung der akustischen Eigenschaften des Eises am Suedpol. Das South Pole Acoustic Test Setup (SPATS) wurde mit dem Ziel gebaut, den Rauschuntergrund, die tiefenabhaengige Schallgeschwindigkeit, die Untergrundereignisrate und die Schall-Abklinglaenge zu messen. Der Detektor besteht aus 4 Trossen, bestueckt mit akustischen Sensoren und Transmittern, die in Tiefen zwischen 80 und 500 m im Eis am Suedpol installiert wurden. Zusaetzlich wurde ein Transmitter (Pinger) entwickelt, der in mehreren wassergefuellten Bohrloechern zum Einsatz kam. Nach drei Jahren ist guter Fortschritt bei der Messung aller beschrieben Groessen erzielt worden. Insbesondere haben es der kombinierte Einsatz von SPATS und des Pingers ermoeglicht, die erste in situ Messung der Abklinglaenge zu 312+68-47 m vorzunehmen. In dieser Arbeit werden die Entwicklung der Hardware, die Analyse und die Resultate dieser Messung vorgestellt. / The neutrino flux generated by the interaction of high energy cosmic rays with the cosmic microwave background is predicted to produce about 0.1 event per km^3 per year. The detection of a sufficient number of events in a few years requires to instrument a volume of at least 100 km^3. The biggest detectors nowadays in construction, covering a volume of about 1 km^3, utilize optical sensors to detect the light produced by neutrino interactions; to extend this instrumentation method by the two necessary orders of magnitude is cost-prohibitive. An alternative is to use the radio or the acoustic signal generated by the neutrino-induced particle cascade, or even better, to use both of them in a hybrid detector. Ice is a promising medium since in principle all three signals can be detected simultaneously. The growing optical experiment IceCube, located at the geographic South Pole, could be complemented with radio and acoustic sensors. A pre-requisite to do so is to measure the acoustic properties of South Pole ice. The South Pole Acoustic Test Setup (SPATS) has been designed to measure background noise, sound speed profile, transient events rate and acoustic attenuation length at that location. The system is comprised of four strings of acoustic sensors and transmitters which are installed at depths between 80 and 500 m. In addition, a retrievable transmitter (called pinger) has been developed and used in several water-filled holes. After almost three years of operation, good progress has been achieved for all the goals. In particular, the attenuation length, one of the most important parameters for determining neutrino detection feasibility, and for which only theoretical estimates were available previously, has now been measured in situ with high confidence to be 312+68-47 m. In this work the hardware developed and the analysis performed to achieve this measurement are presented together with the final result.

The Standard Model of Elementary Particle Physics (SM) is the present theoryfor the elementary particles and their interactions and is a well-established theorywithin the physics community. The SM is a combination of Quantum Chromodynamics(QCD) and the Glashow{Weinberg{Salam (GWS) electroweak model. QCDis a theory for the strong force, whereas the GWS electroweak model is a theoryfor the weak and electromagnetic forces. This means that the SM describes allfundamental forces in Nature, except for the gravitational force. However, the SMis not a nal theory and some of its problems will be discussed in this thesis.In the rst part of this thesis, several properties of baryons are studied suchas spin structure, spin polarizations, magnetic moments, weak form factors, andnucleon quark sea isospin asymmetries, using the chiral quark model (QM). TheQM is an eective chiral eld theory developed to describe low energy phenomena of baryons, since perturbative QCD is not applicable at low energies. The resultsof the QM are in good agreement with experimental data.The second part of the thesis is devoted to the concept of quantum mechanicalneutrino oscillations. Neutrino oscillations can, however, not occur within the GWSelectroweak model. Thus, this model has to be extended in some way. All studiesincluding neutrino oscillation are done within three avor neutrino oscillationmodels. Both vacuum and matter neutrino oscillations are considered. Especially,global ts to all data of candidates for neutrino oscillations are presented and alsoan analytical formalism for matter enhanced three avor neutrino oscillations usingtime evolution operators is derived. Furthermore, investigations of matter eectswhen neutrinos traverse the Earth are included.The thesis begins with an introductory review of the QM and neutrino oscillationsand ends with the research results, which are given in the nine accompanyingscientic articles. / QC 20100616

The standard model of particle physics can excellently describe the vast majorityof data of particle physics experiments. However, in its simplest form, it cannot account for the fact that the neutrinos are massive particles and lepton flavorsmixed, as required by the observation of neutrino oscillations. Hence, the standardmodel must be extended in order to account for these observations, opening up thepossibility to explore new and interesting physical phenomena. There are numerous models proposed to accommodate massive neutrinos. Thesimplest of these are able to describe the observations using only a small numberof effective parameters. Furthermore, neutrinos are the only known existing particleswhich have the potential of being their own antiparticles, a possibility that isactively being investigated through experiments on neutrinoless double beta decay.In this thesis, we analyse these simple models using Bayesian inference and constraintsfrom neutrino-related experiments, and we also investigate the potential offuture experiments on neutrinoless double beta decay to probe other kinds of newphysics. In addition, more elaborate theoretical models of neutrino masses have beenproposed, with the seesaw models being a particularly popular group of models inwhich new heavy particles generate neutrino masses. We study low-scale seesawmodels, in particular the resulting energy-scale dependence of the neutrino parameters,which incorporate new particles with masses within the reach of current andfuture experiments, such as the LHC. / Standardmodellen för partikelfysik beskriver den stora majoriteten data från partikelfysikexperimentutmärkt. Den kan emellertid inte i sin enklaste form beskrivadet faktum att neutriner är massiva partiklar och leptonsmakerna är blandande,vilket krävs enligt observationerna av neutrinooscillationer. Därför måste standardmodellenutökas för att ta hänsyn till detta, vilket öppnar upp möjligheten att utforska nya och intressanta fysikaliska fenomen. Det finns många föreslagna modeller för massiva neutriner. De enklaste av dessakan beskriva observationerna med endast ett fåtal effektiva parametrar. Dessutom är neutriner de enda kända befintliga partiklar som har potentialen att vara sinaegna antipartiklar, en möjlighet som aktivt undersöks genom experiment på neutrinolöst dubbelt betasönderfall. I denna avhandling analyserar vi dessa enkla modellermed Bayesisk inferens och begränsningar från neutrinorelaterade experiment och undersöker även potentialen för framtida experiment på neutrinolöst dubbelt betasönderfall att bergänsa andra typer av ny fysik. Även mer avancerade teoretiska modeller för neutrinomassor har föreslagits, med seesawmodeller som en särskilt populär grupp av modeller där nya tunga partiklargenererar neutrinomassor. Vi studerar seesawmodeller vid låga energier, i synnerhetneutrinoparametrarnas resulterande energiberoende, vilka inkluderar nya partiklarmed massor inom räckh°all för nuvarande och framtida experiment såsom LHC. / <p>QC 20130830</p>

[ES] Los neutrinos de alta energía son partículas esquivas: no tienen carga, tienen una sección transversal de interacción muy pequeña con la materia ordinaria y su masa es extremadamente pequeña. Los neutrinos son una sonda importante en el estudio del origen de los rayos cósmicos, y también, siguiendo algunos modelos de la física más allá del modelo Stardard, pueden producirse a partir de la propagación de partículas del modelo estándar producidas por la aniquilación de la materia oscura. En el último siglo, se han desarrollado muchos enfoques nuevos en la física de astropartículas, tratando de resolver los enigmas no resueltos del Universo, como el origen de los rayos cósmicos y la existencia de la materia oscura. Entre los diferentes experimentos destacan, sin duda, los telescopios de neutrinos. Los telescopios de neutrinos, consistentes en un gran volumen de un medio transparente monitorizado por sensores ópticos para detectar luz de Cherenkov, pueden detectar neutrinos de alta energía de fuentes galácticas o extragalácticas, y también pueden usarse para el estudio de las propiedades de los neutrinos. ANTARES y su sucesor KM3NeT son dos telescopios de neutrinos ubicados en el mar Mediterráneo. El telescopio ANTARES empezó a estar operativo en 2007 y ha tomado datos de forma casi continua hasta principios de 2022. KM3NeT, aprovechando la experiencia de ANTARES, pretende ser el telescopio de neutrinos más sensible de la próxima generación de detectores. Esta tesis presenta mis contribuciones en ambos detectores. En concreto, la parte técnica del trabajo se ha desarrollado en colaboración con KM3NeT. Está dedicado al estudio de los datos de los sensores de orientación instalados en los módulos de detección ópticos de KM3NeT: desde su calibración antes del despliegue en el mar hasta el análisis de sus datos in situ. Estos sensores permiten una monitorización de los movimientos de los elementos detectores en el mar. Por otro lado, en colaboración con ANTARES se ha desarrollado un análisis de física relacionado con la búsqueda de la aniquilación de la materia oscura en el Sol analizando trece años de datos. Se han obtenido nuevos límites superiores para los flujos de neutrinos y antineutrinos a partir de la aniquilación de materia oscura en el Sol, y a partir de estos, se han derivado límites superiores a la sección eficaz de dispersión de Materia Oscura - Nucleón. Estos resultados mejoran en un factor dos los resultados anteriores de ANTARES y son competitivos con respecto a otros experimentos. / [CA] Els neutrins d'alta energia són partícules esquives: no tenen càrrega, tenen una secció transversal d'interacció molt petita amb la matèria ordinària i la massa és extremadament petita. Els neutrins són una sonda important en l'estudi de l'origen dels raigs còsmics, i també, seguint alguns models de la física més enllà del Model Stardard, es poden produir a partir de la propagació de partícules del model estàndard produïdes per l'aniquilació de la matèria fosca. A l'últim segle, s'han desenvolupat molts enfocaments nous a la física d'astropartícules, tractant de resoldre els enigmes no resolts de l'Univers, com l'origen dels raigs còsmics i l'existència de la matèria fosca. Entre els diferents experiments destaquen, sens dubte, els telescopis de neutrins. Els telescopis de neutrins, consistents en un gran volum d'un medi transparent monitoritzat per sensors òptics per detectar llum de Cherenkov, poden detectar neutrins d'alta energia de fonts galàctiques o extragalàctiques, i també es poden utilitzar per a l'estudi de les propietats dels neutrins. ANTARES i el seu successor KM3NeT són dos telescopis de neutrins ubicats al mar Mediterrani. El telescopi ANTARES va començar a estar operatiu el 2007 i ha pres dades de forma gairebé contínua fins a principis del 2022. KM3NeT, aprofitant l'experiència d'ANTARES, pretén ser el telescopi de neutrins més sensible de la propera generació de detectors. Aquesta tesi presenta les meves contribucions a tots dos detectors. Concrètement, la part tècnica del treball s'ha desenvolupat en col·laboració amb KM3NeT. Està dedicat a l'estudi de les dades dels sensors d'orientació instal·lats als mòduls de detecció òptics de KM3NeT: des del calibratge abans del desplegament al mar fins a l'anàlisi de les seves dades in situ. Aquests sensors permeten una monitorització dels moviments dels elements detectors al mar. D'altra banda, en col·laboració amb ANTARES s'ha desenvolupat una anàlisi de física relacionada amb la recerca de l'aniquilació de la matèria fosca al Sol analitzant tretze anys de dades. S'han obtingut nous límits superiors per als fluxos de neutrins i antineutrins a partir de l'aniquilació de matèria fosca al Sol, i a partir d'aquests, s'han derivat límits superiors a la secció eficaç de dispersió de Materia Fosca - Nucleó. Aquests resultats milloren en un factor dos els resultats anteriors de ANTARES i són competitius respecte a altres experiments. / [EN] High energy Neutrinos are elusive particles: they are chargeless, have a very small cross section with ordinary matter and their mass is extremely small. Neutrinos are an important probe in the study of the origin of cosmic rays but also, following some models of physics Beyond the Standard Model, they can be produced from the decay of Standard Model particles produced by dark matter annihilation. In the last century, many new approaches have been developed in astroparticle physics, trying to solve the unsolved puzzles of the Universe such as the origin of Cosmic Rays and the existence of Dark Matter. Among the many experiments, neutrino telescopes certainly stand out. Neutrinos telescopes, made of large volume of a transparent medium observed by optical sensors, can detect high energy neutrinos from galactic or extra-galactic sources, and they can also be used for the study of neutrino properties. ANTARES and its successor KM3NeT are two neutrino telescopes located in the Mediterranean sea. ANTARES operations started in 2007 and it has taken data almost continuously until the beginning of 2022. KM3NeT, taking advantage from the experience of ANTARES, aims to be the most sensitive neutrino telescope in the next generation of detectors. This thesis presents my contributions to both detectors. In particular, the technical part of the work has been developed in collaboration with KM3NeT. It is devoted to the the study of data from the compasses installed in the KM3NeT detection elements: from their calibration before deployment to the analysis of their data in the sea. These compasses allow a tracking of the movements of the detector elements in the sea. In collaboration with ANTARES a physics analysis related to the search of dark matter annihilation in the Sun has been developed analyzing thirteen years of data. New upper limits for neutrino and antineutrino fluxes from dark matter annihilation in the Sun have been obtained, and from these upper limits on the Dark Matter - Nucleon scattering cross section have been obtained. These results improve previous ANTARES results by a factor of 2 and are competitive with those obtained by other experiments. / Poirè, C. (2022). Dark Matter Searches Towards the Sun with ANTARES and Positioning Studies for KM3NeT [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188750

[ES] Los neutrinos que viajan por el Universo sin apenas alterar su trayectoria. Esto quiere decir que, de ser detectados recorriendo su camino, se puede saber de donde provienen. Sin embargo, a pesar de ser la partícula más abundante del espacio descubierta hasta ahora, al no poseer carga eléctrica, presenta una baja probabilidad de interacción, necesaria para evidenciar su presencia. Con todo lo anterior, dadas las posibilidades de evidenciar la presencia de un neutrino, se necesita tener enormes volúmenes controlados por sensores capaces de detectarlos. En el caso de que los neutrinos interactúen en un fluido como el agua o el hielo, se pueden proporcionar partículas cargadas como el muon, que viajan a mayor velocidad que la luz, produciendo una radiación llamada luz de Cherenkov. Es esta luz la que los detectores de neutrinos submarinos pretenden detectar, por ello se instalan sensores ópticos en forma de matriz tridimensional. KM3NeT es un detector de neutrinos perteneciente a la nueva generación de este tipo de telescopios submarinos y diseñado para albergar un kilómetro cúbico. Actualmente, se encuentra en fase de construcción en las profundidades del Mar Mediterráneo. Se compone de dos nodos detectores: ARCA que se sitúa a 100 km de la costa de Portopalo di Capo Passero a 3400 m de profundidad, y ORCA a 40 km de la costa de Toulon sumergido a 2400 m. Las Unidades de Detección (DU) usadas se componen de una base que las ancla al lecho marino, 18 Módulos Ópticos Digitales (DOM) sujetos a lo largo de un par de cables que unen la base con una boya. Así, se tiene una DU fija en el fondo del mar, erguida en posición vertical (dada la flotabilidad de sus elementos), pero susceptible a las corrientes marinas. Así que, para ser capaces de reconstruir la trayectoria de un muon detectado, es necesario tener clara la posición y orientación de cada DOM. Por ello, KM3NeT cuenta con un Sistema de Posicionamiento Acústico (APS) y un Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS). Por un lado, el APS tiene receptores acústicos instalados en cada DOM (sensores piezoeléctricos) y en la base de cada DU (hidrófonos). Además, instala Balizas Acústicas (AB) en posiciones conocidas que emiten señales particulares, que se usan para que el Filtro de Datos Acústico registre su detección en cada receptor. Con el registro de tres o más emisiones pertenecientes a diferentes AB, se puede estimar la posición de cada sensor piezoeléctrico. Por otro lado, el AHRS indica el valor de la guiñada, cabeceo y balanceo, facilitando la orientación del DOM. Con una combinación de APS y AHRS (o de forma independiente), y haciendo uso de un Modelo Mecánico se puede reconstruir la forma de la DU. Así, se conoce la situación de cada DOM con una mayor exactitud. Los AB se caracterizan en laboratorio gracias a un proceso que se ha estandarizado, tanto en realización de medidas como en su posterior análisis. Además, se presenta una posible ubicación para instalarlos, asegurando una buena recepción en todos los DOM. Por último, se pretende aprovechar los receptores del APS en KM3NeT para la posible detección acústica de neutrinos. Existen teorías de que al producirse la interacción de un neutrino ultra-energético se propaga una peculiar señal termo-acústica en forma de Pulso Bipolar (BP), de directividad estrecha para las frecuencias que abarca. Es por esto que se ha diseñado una calibración completa del detector capaz de determinar si el APS está preparado para la posible captura de este tipo de señales. Por ello, se diseña, desarrolla y prueba un algoritmo capaz de seleccionar posibles candidatos de BP. Este algoritmo usa la técnica del espectrograma para analizar la energía, la frecuencia y la duración de cada pulso. Por ahora se han analizado 2.9 días de datos usando tres hidrófonos en ORCA y se han obtenido resultados prometedores para seguir esta línea de investigación, proponiéndose un sistema de alerta para registrar estos eventos de interés. / [CA] Els neutrins són unes partícules subatòmiques que viatgen per l'Univers sense alterar la seva trajectòria. Això significa que, de ser detectats recorrent el seu camí, es pot estudiar la posició del seu origen. Malgrat ser la partícula més abundant de l'espai fins ara descoberta, com no posseeix càrrega elèctrica i sols interacciona dèbilment, presenta molt baixa probabilitat d'interacció, necessària per a evidenciar la seva presència. Llavors, per evidenciar la presència d'un neutrí, es necessita tenir enormes volums controlats per sensors capaços de detectar-los. En el cas d'interactuar en un fluid com l'aigua o el gel, es pot proporcionar un muó (o altres partícules carregades) que viatja a major velocitat que la llum, produint una radiació anomenada llum de Cherenkov. És aquesta llum la que els detectors de neutrins submarins pretenen detectar, per això instal·len sensors òptics en forma de matriu tridimensional. KM3NeT és un detector de neutrins que pertany a la nova generació d'aquest tipus de telescopis submarins i que està dissenyat per a albergar un quilòmetre cúbic. Actualment, es troba en fase de construcció, en les profunditats de la Mar Mediterrània. Es compon de dos nodes detectors: ARCA que es situa a 100 km de la costa de Portopalo di Capo Passero a 3400 m de profunditat, i ORCA a 40 km de la costa de Toulon submergit a 2400 m. Les Unitats de Detecció (DU) utilitzades es componen d'una base que les ancora al fons marí, 18 Mòduls Òptics Digitals (DOM) subjectes al llarg d'un parell de cables que uneixen la base amb una boia. Així, es té una DU fixa en el fons de la mar, alçada en posició vertical (donada la flotabilitat dels seus elements), però susceptible als corrents marins. Així que, per a ser capaços de reconstruir la trajectòria d'un muó detectat, és necessari tenir clara la posició i orientació de cada DOM. Per això, KM3NeT compta amb un Sistema de Posicionament Acústic (APS) i un Sistema de Referència d'Actitud i Rumb (AHRS). D'una banda, l'APS té receptors acústics instal·lats en cada DOM (sensors piezoelèctrics) i en la base de cada DU (hidròfons). A part, instal·la Balises Acústiques (AB) en posicions conegudes que emeten senyals particulars, que s'utilitzen perquè el Filtre de Dades Acústic registra la seva detecció en cada receptor. Amb el registre de tres o més emissions pertanyents a diferents AB, es pot estimar la posició de cada sensor piezoelèctric. D'altra banda, el AHRS indica el valor de l'ullet, cabotejo i balanceig, facilitant l'orientació del DOM. Amb una combinació de APS i AHRS (o de manera independent), i fent ús d'un Model Mecànic es pot reconstruir la forma de la DU. Així es coneix la situació de cada DOM amb una major exactitud. Pel que fa als ABs, cadascun es caracteritza en el laboratori gràcies a un procés que s'ha estandarditzat, tant en realització de mesures com en la seva posterior anàlisi. A més, es presenta una possible ubicació per a instal·lar-los, assegurant una bona recepció en tots els DOM. Finalment, es pretén aprofitar els receptors del APS en KM3NeT per a la possible detecció acústica de neutrins. Existeixen teories que expliquen que en la interacció d'un neutrí ultraenergètic es propaga un peculiar senyal termo-acústica en forma de Pols Bipolar (BP), de directivitat estreta per a les freqüències que té. Així que s'ha dissenyat un calibratge complet del detector capaç de determinar si el APS està preparat per a la possible captura d'aquesta mena de senyals. Per això, es dissenya, desenvolupa i prova un algoritme capaç de seleccionar possibles candidats de BP. Aquest algoritme usa la tècnica de l'espectrograma per analitzar l'energia, la freqüència i la durada de cada pols. Ara com ara s'han analitzat 2.9 dies de dades usant tres hidròfons en ORCA i s'han obtingut resultats prometedors per a seguir aquesta línia de recerca, proposant un sistema d'alerta per a registrar events d'interès. / [EN] Neutrinos are subatomic particles that travel through the Universe with tiny or no change in their trajectory. This means that, if they are detected traveling along their way, the position of their origin can be studied. Despite being the most abundant particle in space so far discovered, as it has no electrical charge and it only interacts, it has a very low probability of interaction, which is necessary to prove its presence. Given the possibilities of evidencing the presence of a neutrino, it is necessary to have huge volumes controlled by sensors capable of detecting them. In the case of interaction in a fluid such as water or ice with sufficient energy, a muon (or other charged particles), which travels faster than the speed of light, may be generated producing radiation called Cherenkov light. This is the light that underwater neutrino telescopes aim to detect, so they have installed optical sensors in the form of a three-dimensional array. KM3NeT is a neutrino detector belonging to the new generation of underwater telescopes designed to hold one cubic kilometer. It is currently under construction in the depths of the Mediterranean Sea. It consists of two detector nodes: ARCA, which is located 100 km off the coast of Portopalo di Capo Passero at a depth of 3400 m, and ORCA, 40 km off the coast of Toulon, submerged at a depth of 2400 m. The Detection Units (DUs) used are composed of a base that anchors them to the sea floor, 18 Digital Optical Modules (DOMs) attached along a pair of cables linking the base to a top buoy. Thus, it has a fixed DU on the seabed, standing in a vertical position (given the buoyancy of its elements), but susceptible to the sea currents. In order to be able to reconstruct the trajectory of a detected muon, it is necessary to know the position and orientation of each DOM. Therefore, KM3NeT has an Acoustic Positioning System (APS) and an Attitude and Heading Reference System (AHRS). On the one hand, the APS has acoustic receivers installed in each DOM (piezoceramic sensors) and at the base of each DU (hydrophones). On the other hand, there are Acoustic Beacons (ABs) at known positions that emit specific signals, which are used for the Acoustic Data Filter to register their detection at each receiver. By recording three or more emissions belonging to different ABs, the position of each piezoceramic sensor can be estimated. On the other hand, the AHRS indicates the value of yaw, pitch, and roll, suggesting the orientation of the DOM. With a combination of APS and AHRS (or independently), and making use of a Mechanical Model, the shape of the DU can be reconstructed. In this way, the situation of each DOM is known with higher accuracy. As far as the ABs are concerned, each one has been characterized in the laboratory thanks to a process that has been standardized, both in terms of measurements and subsequent analysis. In addition, a possible location for the installation of ABs is presented, ensuring good reception in all DOMs. Finally, it is intended to use the APS receivers in KM3NeT for the possible acoustic detection of neutrinos. There are theories that explain that when the interaction of an Ultra-High-Energy neutrino is produced, a peculiar thermoacoustic signal as a Bipolar Pulse (BP), with a narrow angle directivity is propagated. Thus, a complete calibration of the detector has been designed to determine whether the APS is ready for the possible capture of this type of signal. Moreover, an algorithm capable of selecting possible BP candidates is designed, developed, and tested. So far, 2.9 days of data have been analyzed using three hydrophones in ORCA and promising results have been obtained to pursue this line of research, proposing an alert system (trigger) to register the candidate events / Diego Tortosa, D. (2022). Positioning System and Acoustic Studies for the KM3NeT deep-sea neutrino telescope [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188917