Cosmic rays reach Earth from beyond the Milky Way and with energies up to 10^20 eV.The responsible accelerators have to date not been discovered. However, multi-messenger astronomy can shed light on the question, based on the principle that protons and nuclei accelerated in dense and energetic environments would also produce gamma rays and neutrinos. Such environments may be found in "blazars", which are therefore cosmic ray accelerator candidates. Their gamma-ray emission has been observed to increase, sometimes by orders of magnitude, during "flares" as observed in light curves taken by the Large Angle Telescope on the Fermi satellite. When the latter was launched in 2008, the IceCube Neutrino Observatory had also started taking data, detecting the Cherenkov light from high-energy neutrino interactions in the glacier ice under the geographic South Pole. These two experiments have enabled multi-messenger searches for neutrinos in time correlation with the gamma-ray emission from blazars. This work builds on this principle and extends it by "stacking" the signal from multiple blazar flares. Thus, their individually undetectable neutrino emission could still be discoverable. One first analysis focused on the blazar TXS 0506+056, whose flare in 2017 coincided with arrival of the neutrino IceCube-170922A. Extending into a lower energy range than the alert, the search found no additional excess neutrinos associated with the flare. A second analysis used 179 bright and variable blazars. They were divided in two specific blazar classes and weighted relatively to each other, with two weighting schemes motivated physically using the observed gamma-ray luminosity and a third, generic weighting to cover unconsidered scenarios. No significant neutrino excess was found in the unblinded likelihood fits for any of the source catalogues and weighting schemes. Their combined trial-corrected p-value was p=(79.1 +/- 0.3)%. The limits derived from this analysis are also discussed and its relation with other searches considered. Since that was the first "blazar flare stacking", this work also proposes further improvements to the analysis which will help advance the search for cosmic ray accelerators. / Les rayons cosmiques proviennent d'au-delà de la Voie lactée et atteignent la Terre avec des énergies pouvant aller jusqu'à 10^20 eV. Les objets qui accélèrent ces rayons cosmiques n'ont toujours pas été découverts. Toutefois, l'astronomie multimessager peut apporter un élément de réponse à cette question, en supposant que les protons et les noyaux accélérés dans des environnements denses et énergétiques pourraient également produire des rayons gamma et des neutrinos. Les "blazars" sont de possibles candidats pour les accélérateurs de rayons cosmiques. Une augmentation de leurs émissions de rayons gamma, parfois de plusieurs ordres de grandeur, a été observée lors de phénomènes qu'on appelle "éruption", comme le montrent les courbes de lumière prises par le télescope spatial Fermi-LAT. Lorsque ce dernier a été lancé en 2008, l'observatoire de neutrinos IceCube avait également commencé à prendre des données, détectant la lumière Tcherenkov provenant d'interactions de neutrinos à haute énergie dans la glace qui se trouve sous le Pôle Sud géographique. Ces deux expériences ont permis de mener à bien des recherches multi-messagers de neutrinos en corrélation temporelle avec l'émission de rayons gamma des blazars. Ce principe est le point de départ de cette thèse, qui va plus loin en employant la méthode du "stacking", qui consiste à combiner les signaux provenant de plusieurs éruptions de blazars. Ainsi, leurs émissions individuelles de neutrinos, habituellement indétectables, pourraient être découvertes après combinaison. Une première analyse s'est concentrée sur le blazar TXS 0506+056, dont l'éruption en 2017 a coïncidée avec l'arrivée de l'évènement IceCube-170922A. En considérant une gamme d'énergie inférieure à celle de l'alerte 170922-A, pas d’autres neutrino excédentaire n’a été associé à l'éruption. Une deuxième analyse est basée sur 179 blazars lumineux et variables. Ces blazars ont été répartis en deux classes spécifiques, et chacun d'entre eux a reçu un poids relatif. Trois schémas de pondération ont été considérés :les deux premiers étant motivés par des observations, le troisième étant plus générique. Aucun excès significatif de neutrinos n'a été observé après avoir effectué des ajustements par maximum de vraisemblance sur les données non masquées, pour les différents catalogues de sources et schémas de pondération. Leur valeur-p combinée est de p=(79.1 +/- 0.3)%. Les limites dérivées de cette analyse sont discutées ainsi que leur rapport avec les résultats d'autres recherches. Puisqu'il s'agit du premier stacking d'éruptions de blazars, nous suggérons également des améliorations à apporter à l'analyse afin de permettre la poursuivre de la recherche d'accélérateurs de rayons cosmiques. / Kosmische straling afkomstig van buiten de Melkweg bereikt de Aarde met energieën tot wel 10^20 eV. De astrofysische bronnen waarin deze deeltjes worden versneld zijn tot op heden nog niet ontdekt. De multi-boodschapperastronomie kan een nieuw licht werpen op de oorsprong van kosmische straling, aangezien protonen en atoomkernen die worden versneld in een dichte en energetische omgeving ook gammastralen en neutrino’s produceren. „Blazars” zijn mogelijke kandidaat-versnellers. Observaties van blazars, gemaakt met de ruimtetelescoop Fermi-LAT ,tonen aan dat hun gammastraling tijdens zogenaamde „flakkers” toeneemt. Rond de tijd dat deze werd gelanceerd, begon het IceCube Neutrino Observatorium ook gegevens te verzamelen. Deze laatste detecteert hoog-energetische neutrino’s aan de hand van het Cherenkovlicht dat geproduceerd wordt tijdens hun interacties met de ijskap bij de geografische zuidpool. Deze twee experimenten hebben het mogelijk gemaakt om een multibooschapperzoektocht te verrichten naar neutrino’s van blazars die een tijdscorrelatie hebben met diens flakkers van gammastraling. Dit is het uitgangspunt van dit proefschrift, waarbij er ook een zogenaamde „stapelmethode” wordt toegepast. Op deze manier kan de neutrino-emissie van indivuele blazarflakkers, die afzonderlijk te zwak is om te detecteren, gecombineerd worden en mogelijks toch worden ontdekt. Een eerste analyse legt de focus op de blazar TXS 0506+056, waarvan een flakker in 2017 samenviel met de aankomst van het neutrino IceCube 170922-A. In een relatief lager energiebereik wordt er geen surplus aan neutrino’s gevonden gecorreleerd met de flakker. In een tweede analyse maken we gebruik van de stapelmethode om neutrino’s te zoeken afkomstig van 179 heldere en variabale blazars. Deze worden onderverdeeld in twee specifieke klassen en krijgen elks een zeker gewicht in de stapelanalyse. Hiervoor worden twee wegingsschema’s gebruikt die gemotiveerd zijn door de geobserveerde gammastraling, alsook een derde generieke weging. Ook hierwordt er geen significant neutrinosignaal geobserveerd. De gecombineerde p waarde is p=(79.1 +/- 0.3)%. Hieruit worden limieten afgeleid, en worden de verbanden met andere zoekacties besproken. Aangezien dit werk de eerste analyse omvat naar neutrino’s afkomstig van blazarflakkers gebruik makende van een stapelmethode, worden er in dit werk ook verdere verbeteringen van de analyse voorgesteld. Deze zullen als een startpunt dienen voor toekomstige zoektochten naar de nog onbekende bronnen van kosmische straling. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished
| Identifer | oai:union.ndltd.org:ulb.ac.be/oai:dipot.ulb.ac.be:2013/325215 |
| Date | 09 June 2021 |
| Creators | Raab, Christoph |
| Contributors | Aguilar Sanchez, Juan Antonio, Favart, Laurent, Toscano, Simona, De Vries, Krijn KdV, Ahlers, Markus |
| Publisher | Universite Libre de Bruxelles, Université libre de Bruxelles, Faculté des Sciences – Physique, Bruxelles |
| Source Sets | Université libre de Bruxelles |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/openurl/vlink-dissertation |
| Format | 261 p., 3 full-text file(s): application/pdf | application/pdf | application/pdf |
| Rights | 3 full-text file(s): info:eu-repo/semantics/closedAccess | info:eu-repo/semantics/openAccess | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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