Neutrinos are the ideal cosmic messengers, and can be used to explore the most powerful accelerators in the Universe, in particular the mechanisms for producing and accelerating cosmic rays to incredible energies. By studying clustering of neutrino candidate events in the IceCube detector we can discover sites of hadronic acceleration. We present results on searches for point-like sources of astrophysical neutrinos located in the Southern hemisphere, at energies between 100 GeV and a few TeV. The data were collected during the first year of the completed 86-string detector, corresponding to a detector livetime of 329 days. The event selection focuses on identifying events starting inside the instrumented volume, utilizing several advanced veto techniques, successfully reducing the large background of atmospheric muons. An unbinned maximum likelihood method is used to search for clustering of neutrino-like events. We perform a search in the full Southern hemisphere and a dedicated search using a catalog of 96 pre-defined known gamma-ray emitting sources seen in ground-based telescopes. No evidence of neutrino emission from point-like sources is found. The hottest spot is located at R.A. 305.2° and Dec. -8.5°, with a post-trial p-value of 88.1%. The most significant source in the a priori list is QSO 2022-077 with a post-trial p-value of 14.8%. In the absence of evidence for a signal, we calculate upper limits on the flux of muon-neutrinos for a range of spectra. For an unbroken E-2 neutrino spectrum, the observed limits are between 2.8 and 9.4×10-10 TeV cm-2 s-1, while for an E-2 neutrino spectrum with an exponential cut-off at 10 TeV, the observed limits are between 0.6 and 3.6×10-9 TeV cm-2 s-1. / IceCube

En esta tesis se tratan diferentes aspectos de la acústica presente en un telescopio submarino de neutrinos, principalmente en dos vertientes: en el sistema de posicionamiento acústico utilizado para la monitorización de las posiciones de los módulos ópticos presentes a lo largo del detector, así como en sistemas para detección acústica de neutrinos, técnica que actualmente está en fase de estudio. Todos los estudios realizados están enmarcados dentro de dos colaboraciones europeas para el diseño, construcción y operación de telescopios submarinos de neutrinos: Antares (en fase de operación) y KM3NET (en fase de diseño). Objetivos. Los objetivos de este trabajo pueden resumirse en los siguientes aspectos: - Estudios y análisis del sistema de posicionamiento acústico de Antares. Desarrollo del software para la para la automatización del procesado de los datos de dicho sistema e incorporación de los resultados en la base de datos del experimento. Análisis de los datos proporcionados por dicho sistema con el fin de validar su correcto funcionamiento. - Diseño y desarrollo del sistema de posicionamiento acústico para KM3NeT, telescopio unas 20 veces más grande que Antares. - Estudios para la evaluación de la generación acústica paramétrica para el desarrollo de un calibrador compacto capaz de generar señales tipo neutrino útiles en sistemas de detección acústica. Elementos de la metodología a destacar. Cabe destacar aquí que el trabajo se ha desarrollado en el marco de dos colaboraciones internacionales: ANTARES y KM3NeT, financiados con fondos europeos y nacionales. Por su contexto y el carácter de las actividades realizadas ha sido necesaria la formación en distintos campos: telescopios de neutrinos y astropartículas, pero también en otras áreas como la acústica submarina. Además, se ha desarrollado diversas capacidades y destrezas en diversos ámbitos: en instrumentación, en aplicaciones informáticas, en análisis de datos, etc. Más concretamente, se ha trabajado en aplicaciones informáticas para los desarrollos y análisis en ANTARES. / Bou Cabo, M. (2011). Acoustics for underwater neutrino telescopes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10989 / Palancia

Dark matter particles in the form of supersymmetric Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) could accumulate in the centre of the Sun because of gravitational trapping. Pair-wise annihilations of WIMPs could create standard model particles out of which neutrinos could reach the Earth. Data from the IceCube 22-string neutrino telescope have been searched for signals from dark matter annihilations in the Sun. Highly sophisticated analysis methods have been developed to discern signal neutrinos from the severe background of atmospheric particle showers. No signal has been found in a dataset of 104 days livetime taken in 2007, and an upper limit has been placed on the muon flux in the South Pole ice induced by neutrinos from the Sun, reaching down to 330 km-2y-1. The flux limit has been converted into an upper limit on the neutralino scattering cross-section, which reaches down to 2.8*10-40 cm2 for spin-dependent interactions. / Four articles are appended to the thesis:I. G. Wikström for the IceCube collaboration, Proc. of the 30th ICRC,arXiv/0711.0353 [astro-ph] (2007) 135.II. A. Gross, C. Ha, C. Rott, M. Tluczykont, E. Resconi, T. DeYoung and G. Wikström for the IceCube Collaboration, Proc. of the 30th ICRC,arXiv/0711.0353 [astro-ph] (2007) 11.III. G. Wikström and J. Edsjö, JCAP 04 (2009) 009.IV. R. Abbasi et al. (IceCube collaboration), accepted for publication in Phys. Rev. Lett., arXiv/0902.2460v3 [astro-ph.CO] (2009). / IceCube

The cubic-kilometer sized IceCube neutrino observatory, constructed in the glacial ice at the South Pole, searches indirectly for dark matter via neutrinos from dark matter self-annihilations. It has a high discovery potential through striking signatures. This thesis presents searches for dark matter annihilations in the center of the Sun using experimental data collected with IceCube. The main physics analysis described here was performed for dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) with the 79-string configuration of the IceCube neutrino telescope. For the first time, the DeepCore sub-array was included in the analysis, lowering the energy threshold and extending the search to the austral summer. Data from 317 days live-time are consistent with the expected background from atmospheric muons and neutrinos. Upper limits were set on the dark matter annihilation rate, with conversions to limits on the WIMP-proton scattering cross section, which initiates the WIMP capture process in the Sun.These are the most stringent spin-dependent WIMP-proton cross-sections limits to date above 35 GeV for most WIMP models. In addition, a formalism for quickly and directly comparing event-level IceCube data with arbitrary annihilation spectra in detailed model scans, considering not only total event counts but also event directions and energy estimators, is presented. Two analyses were made that show an application of this formalism to both model exclusion and parameter estimation in models of supersymmetry. An analysis was also conducted that extended for the first time indirect dark matter searches with neutrinos using IceCube data, to an alternative dark matter candidate, Kaluza-Klein particles, arising from theories with extra space-time dimensions. The methods developed for the solar dark matter search were applied to look for neutrino emission during a flare of the Crab Nebula in 2010.

In this thesis we studied dark matter models with strong self-interactions, typically known as self-interacting dark matter (SIDM). This kind of models constitute a promising solution to the tension between small scale structure observations and predictions assuming the standard case of collisionless cold dark matter (CDM) while keeping the success of the standard cosmological model, LambdaCDM, at large scales. The presence of strong self-interactions can increase the dark matter capture and annihilation in astrophysical objects like our sun, enhancing the potential of indirect detection signals. We used the high energy neutrinos produced by such annihilations to probe SIDM models. We established strong constraints on SIDM with velocity independent cross section by comparing the expected neutrino signal with the results of the IceCube-79 dark matter search. Also, we determined the sensitivity for the IceCube-DeepCore and PINGU detectors for SIDM with a velocity dependent self-interacting cross section (vdSIDM). Most of its relevant parameter space can be tested with the three years of data already collected by IceCube-DeepCore, complementing results from direct detection experiments and other indirect detection studies. / Nesta tese investigamos modelos de matéria escura com auto-interações fortes, conhecidos tipicamente como matéria escura auto-interagente (SIDM). Este tipo de modelos constituem uma solução promissora à tensão entre as observações de estrutura a pequena escala e as previsões assumindo o caso padrão de matéria escura fria não colisional (CDM), enquanto se mantêm o sucesso do modelo cosmológico padrão, LambdaCDM, a grandes escalas. A presença de auto-interações fortes podem aumentar a captura e a aniquilação da matéria escura em objetos astrofísicos como o nosso sol, aumentando o potencial de sinais de detecção indireta. Usamos o sinal de neutrinos de alta energia produzidos por essas aniquilações para explorar modelos de SIDM. Estabelecemos fortes vínculos em modelos de SIDM com seção de auto-interação independente da velocidade comparando o sinal de neutrinos esperado com os resultados de busca de matéria escura do IceCube-79. Também, determinamos a sensibilidade dos detectores IceCube-DeepCore e PINGU para modelos de SIDM com uma seção de auto-interação dependente da velocidade (vdSIDM). A maior parte do espaço de parâmetros de interesse pode ser testado com os três anos de dados já coletados pelo IceCube-DeepCore, complementando os resultados de experimentos de detecção direta e outras an análises de detecção indireta.

Atualmente existem muitas evidências da presença de matéria escura no Universo. Estas motivaram a existência de vários experimentos para sua detecção. Entre os experimentos de detecção indireta de matéria escura, o PAMELA, o ATIC e o Fermi-LAT observaram recentemente excessos de elétrons e pósitrons no fluxo galáctico em relação ao esperado para estas partículas. Estes resultados podem ser explicados pela aniquilação de matéria escura com massas entorno a 1 TeV em nossa galáxia, com produção de léptons. No entanto, para tal, estas observações requerem um aumento na taxa de aniquilação relativa à esperada da produção térmica de matéria escura. Este aumento pode ser devido a existência de subestruturas de matéria escura no halo galáctico ou a mecanismos de interação, como o efeito Sommerfeld, que aumentam a seção de choque de aniquilação das partículas de matéria escura. Neste _ultimo caso, deve ocorrer também um aumento na taxa de neutrinos provenientes da aniquilação de matéria escura no núcleo da Terra. Neste trabalho, estimamos as taxas destes neutrinos e usamos os resultados finais do AMANDA-II e resultados recentes de IceCube para testar cenários genéricos que contemplam um aumento na seção de choque de aniquilação. Apresentamos os nossos resultados em função da seção de choque de interação da matéria escura com os núcleos multiplicada pela fração da aniquilação das partículas de matéria escura em neutrinos e, também em função de um fator genérico de boost que parametriza o aumento na seção de choque de aniquilação. Encontramos que modelos de matéria escura requerem fatores de boost da ordem O(100) ou mais e que se aniquilam significativamente em neutrinos são excluídos como explicação dos excessos leptônicos medidos. / Currently there are many evidences of the existence of dark matter in the Universe. These led to experimental dark matter searches and, among them, some indirect detection experiments, PAMELA, ATIC and Fermi-LAT, have recently observed excesses in the galactic flux of electrons and positrons relative to the expected flux of these particles. These results could be explained by dark matter, with masses of the order of 1 TeV, annihilating into leptons in our galaxy. However, in order for this to explain the mentioned excesses, it is required that the dark matter annihilation rate is greater than the implied rate assuming the expected dark matter thermal annihilation cross section. This greater rate could be due to the presence of dark matter substructures in the galactic halo or due to interaction mechanisms, such as the Sommerfeld effect, that enhance the dark matter annihilation cross section. In the latter case, an enhancement in the neutrino flux from annihilation of dark matter particles in the Earth nucleus should also occur. In this work, we use the final results of AMANDA-II and recent results of IceCube to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matternucleon interaction cross section weighted by the branching fraction into neutrinos, and as a function of a generic boost factor, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require boosts factors of O(100) or more and that annihilate mainly into neutrinos are excluded as a explanation for the observed leptonic excesses.

Atualmente existem muitas evidências da presença de matéria escura no Universo. Estas motivaram a existência de vários experimentos para sua detecção. Entre os experimentos de detecção indireta de matéria escura, o PAMELA, o ATIC e o Fermi-LAT observaram recentemente excessos de elétrons e pósitrons no fluxo galáctico em relação ao esperado para estas partículas. Estes resultados podem ser explicados pela aniquilação de matéria escura com massas entorno a 1 TeV em nossa galáxia, com produção de léptons. No entanto, para tal, estas observações requerem um aumento na taxa de aniquilação relativa à esperada da produção térmica de matéria escura. Este aumento pode ser devido a existência de subestruturas de matéria escura no halo galáctico ou a mecanismos de interação, como o efeito Sommerfeld, que aumentam a seção de choque de aniquilação das partículas de matéria escura. Neste _ultimo caso, deve ocorrer também um aumento na taxa de neutrinos provenientes da aniquilação de matéria escura no núcleo da Terra. Neste trabalho, estimamos as taxas destes neutrinos e usamos os resultados finais do AMANDA-II e resultados recentes de IceCube para testar cenários genéricos que contemplam um aumento na seção de choque de aniquilação. Apresentamos os nossos resultados em função da seção de choque de interação da matéria escura com os núcleos multiplicada pela fração da aniquilação das partículas de matéria escura em neutrinos e, também em função de um fator genérico de boost que parametriza o aumento na seção de choque de aniquilação. Encontramos que modelos de matéria escura requerem fatores de boost da ordem O(100) ou mais e que se aniquilam significativamente em neutrinos são excluídos como explicação dos excessos leptônicos medidos. / Currently there are many evidences of the existence of dark matter in the Universe. These led to experimental dark matter searches and, among them, some indirect detection experiments, PAMELA, ATIC and Fermi-LAT, have recently observed excesses in the galactic flux of electrons and positrons relative to the expected flux of these particles. These results could be explained by dark matter, with masses of the order of 1 TeV, annihilating into leptons in our galaxy. However, in order for this to explain the mentioned excesses, it is required that the dark matter annihilation rate is greater than the implied rate assuming the expected dark matter thermal annihilation cross section. This greater rate could be due to the presence of dark matter substructures in the galactic halo or due to interaction mechanisms, such as the Sommerfeld effect, that enhance the dark matter annihilation cross section. In the latter case, an enhancement in the neutrino flux from annihilation of dark matter particles in the Earth nucleus should also occur. In this work, we use the final results of AMANDA-II and recent results of IceCube to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matternucleon interaction cross section weighted by the branching fraction into neutrinos, and as a function of a generic boost factor, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require boosts factors of O(100) or more and that annihilate mainly into neutrinos are excluded as a explanation for the observed leptonic excesses.

In this thesis we studied dark matter models with strong self-interactions, typically known as self-interacting dark matter (SIDM). This kind of models constitute a promising solution to the tension between small scale structure observations and predictions assuming the standard case of collisionless cold dark matter (CDM) while keeping the success of the standard cosmological model, LambdaCDM, at large scales. The presence of strong self-interactions can increase the dark matter capture and annihilation in astrophysical objects like our sun, enhancing the potential of indirect detection signals. We used the high energy neutrinos produced by such annihilations to probe SIDM models. We established strong constraints on SIDM with velocity independent cross section by comparing the expected neutrino signal with the results of the IceCube-79 dark matter search. Also, we determined the sensitivity for the IceCube-DeepCore and PINGU detectors for SIDM with a velocity dependent self-interacting cross section (vdSIDM). Most of its relevant parameter space can be tested with the three years of data already collected by IceCube-DeepCore, complementing results from direct detection experiments and other indirect detection studies. / Nesta tese investigamos modelos de matéria escura com auto-interações fortes, conhecidos tipicamente como matéria escura auto-interagente (SIDM). Este tipo de modelos constituem uma solução promissora à tensão entre as observações de estrutura a pequena escala e as previsões assumindo o caso padrão de matéria escura fria não colisional (CDM), enquanto se mantêm o sucesso do modelo cosmológico padrão, LambdaCDM, a grandes escalas. A presença de auto-interações fortes podem aumentar a captura e a aniquilação da matéria escura em objetos astrofísicos como o nosso sol, aumentando o potencial de sinais de detecção indireta. Usamos o sinal de neutrinos de alta energia produzidos por essas aniquilações para explorar modelos de SIDM. Estabelecemos fortes vínculos em modelos de SIDM com seção de auto-interação independente da velocidade comparando o sinal de neutrinos esperado com os resultados de busca de matéria escura do IceCube-79. Também, determinamos a sensibilidade dos detectores IceCube-DeepCore e PINGU para modelos de SIDM com uma seção de auto-interação dependente da velocidade (vdSIDM). A maior parte do espaço de parâmetros de interesse pode ser testado com os três anos de dados já coletados pelo IceCube-DeepCore, complementando os resultados de experimentos de detecção direta e outras an análises de detecção indireta.

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.