Mainz, Univ., Diss., 2003. / Computerdatei im Fernzugriff.

Mainz, Universiẗat, Diss., 2003.

Berlin, Humboldt-University, Diss., 2004.

Berlin, Humboldt-University, Diss., 2004.

Univ., Diss., 2004--Mainz

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.

Das IceCube Neutrinoteleskop hat im Jahr 2013 erstmals einen isotropen, quasi-diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses detektiert. Dieser Fluss kann jedoch bisher keiner astrophysikalischen Quellklasse zugeordnet werden. Um nach kurzlebigen Neutrinoquellen zu suchen, wurde 2008 das optische und Röntgen-Nachfolgebeobachtungsprogramm des IceCube Detektors eingerichtet. Es sucht nach zwei oder mehr Neutrinoereignissen, die von einer Punkquelle stammen könnten und innerhalb von 100s detektiert werden. Ein solches Signal wird unter anderem von langen oder kurzen Gammastrahlungsblitzen (GRBs) erwartet oder von verwandten Objekten wie leuchtschwachen GRBs oder Supernovae mit relativistischen Jets. Die Alarmraten des Nachfolgebeobachtungsprogramms sind jedoch niedrig und bieten bisher keine Hinweise für die Existenz von kurzlebigen Neutrinoquellen. Das Nachfolgebeobachungsprogramm hat bisher nur ein einziges Neutrinotriplet detektiert, das der Auslöser für eine umfassende Beobachtungskampagne war. In den optischen, Röntgen- und Gammastrahlungsbeobachtungen wurde keine wahrscheinliche Neutrinoquelle identifiziert und eine Supernova oder ein heller GRB können ausgeschlossen werden. Das Neutrinotriplet kann entweder eine zufällige Koinzidenz von Untergrundereignissen sein (alle 13.7 Jahre erwartet) oder es kann von einer leuchtschwachen oder besonders schnell verblassenden Quelle stammen. Die niedrige Rate von Neutrinomultipletts stellt außerdem eine obere Schranke auf die Helligkeit von kurzlebigen Neutrinoquellen dar. Seltene Quellen mit lokalen Raten von < 3e-8 – 10e-5 Mpc^-3 Jahr^-1 können nicht den gesammten Fluss erzeugen, ohne die detektierte Anzahl Multipletts zu überschreiten. Der Fluss von GRBs ist dadurch auf 5-30% des astrophysikalischen Flusses beschränkt. Falls 1% aller Kernkollaps-Supernovae einen Jet besitzen, der auf die Erde zeigt, so können sie 40-100% des Flusses erzeugen und ihre durchschnittliche Neutrinohelligkeit ist <3e51erg. / The IceCube neutrino observatory first detected and isotropic, quasi-diffuse astrophysical neutrino flux in 2013. However, this flux can so far not be associated with an astrophysical source class. To search for short-lived neutrino sources, the optical and X-ray follow-up program was established in 2008. It searches for two or more neutrino events that might origin from a point source and are detected within 100s. Such a signal is expected from long or short gamma-ray bursts (GRBs) or from related objects like low-luminosity GRBs or supernovae with choked jets. The alert rates of the follow-up program are however low, such that they do not provide evidence for the existence of short-lived neutrino sources. So far the follow-up program has only detected a one neutrino triplet, which triggered an extensive follow-up campaign. No likely neutrino source was detected in the collected optical, X-ray and gamma-ray observations and the presence of a supernova or a bright GRB can be excluded. The neutrino triplet can either be a chance coincidence of background events (expected every 13.7 years) or is can originate from a faint or quickly fading astrophysical source. The low rate of neutrino multiplets moreover provides an upper limit on the luminosity of short-lived neutrino sources. Rare sources with local rates of < 3e-8 – 10e-5 Mpc^-3 yr^-1 cannot produce the complete fluc without producing too many neutrino multiplets. This limits the contribution of GRBs to 5-30% of the astrophysical flux. If 1% of all core-collapse supernovae have a jet that is pointed at Earth, they can emit up to 40-100% of the flux and their average neutrino luminosity is <3e51erg.