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Garabed Halladjian
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Thesee
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CPPM-T-2010-08
´ ´ ´UNIVERSITEDELAMEDITERRANEE
AIX-MARSEILLEII
´FACULTEDESSCIENCESDELUMINY
163avenuedeLuminy
13288MARSEILLECedex09
TYPEDEDOCUMENT
Specialit´ e´ : PhysiqueetSciencesdelaMatier` e
Mention: PhysiquedesParticulesetAstroparticules
present´ ee´ par
GarabedHALLADJIAN
envued’obtenirlegradededocteurdel’Universite´ delaMediterran´ ee´
Recherchedeneutrinoscosmiquesdehaute-ener´ gieemis´ par
dessourcesponctuellesavecANTARES
soutenuele9Decembre´ 2010devantlejurycompose´ de:
M. Vincent BERTIN Co-Directeurdethese`
´M. Jose BUSTO Examinateur
M. Paschal COYLE Directeurdethese`
M. Eric KAJFASZ President´ dujury
¨M. Jur¨ gen KNODLSEDER Examinateur
Mme. Annarita MARGIOTTA Rapporteur
M. Santiago PITARemerciements
remerciements...
iiiContents
1 Astroparticlephysicsandhighenergycosmicneutrinos 5
1.1 Cosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 DetectionprincipleandUHECRdetectors . . . . . . . . . 8
5 1.1.1.1 ThePierreAugerObservatory(PAO) . . . . . . 8
1.1.1.2 TheHighResolutionFly’sEyeCosmicRayOb-
servatory(HiRes) . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 UHECRsources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.1 Potentialcosmicraysaccelerationsites . . . . . 9
10 1.1.2.2 PAOresultsontheoriginofcosmicrays . . . . 9
1.1.3 Chemicalcompositionoftheultrahighenergycosmicrays 11
1.2 Cosmicphotonsandγ-rayastronomy . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1 Leptonicprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2 Hadronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
15 1.3 Neutrinoastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Advantagesofneutrinoastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Pointsourcesofcosmicneutrinos . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1.1 ActiveGalacticNuclei . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1.2 GammaRayBurst . . . . . . . . . . . . . . . . 22
20 1.4.1.3 Starburstgalaxies . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.1.4 SupernovaRemnants . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.5 PulsarWindNebulae . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.6 MicroQuasar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1.7 GalacticCenter . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
25 1.4.1.8 TheFermiBubbles . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Highenergyneutrinofluxestimation 29
2.1 Neutrinofluxestimationsteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 ExtragalacticBackgroundLight . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Opticaldepth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
30 2.4 NeutrinofluxestimationattheEarth . . . . . . . . . . . . . . . . 34
iii2.5 EstimatednumberofneutrinoeventsdetectedbyANTARES . . . 36
3 NeutrinodetectionwithANTARES 39
3.1 Highenergycosmicneutrinodetection . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Highenergyinteractions . . . . . . . . . . . . . 39
35 3.1.2 CerenkovEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.3 Detectionprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 ANTARESneutrinotelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 Finalconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.2 DetectorStorey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
40 3.2.3 Opticalmodules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.4 Dataacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.4.1 HittimeandsignaldigitalizationbytheARS . . 52
3.2.4.2 Datatransmissiontotheshore . . . . . . . . . . 53
3.2.5 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
45 3.2.6 TimeCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.6.1 On-shorecalibration . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.6.2 Insitu . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.7 Cosmicneutrinosearchbackgrounds . . . . . . . . . . . 56
3.2.7.1 Atmosphericbackground . . . . . . . . . . . . 57
50 3.2.8 Opticalbackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.8.1 Potassium40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.8.2 Bioluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Km3Neutrinotelescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.1 IceCube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
55 3.3.2 KM3NeT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 Simulationsandreconstructionalgorithms 69
4.1 Monte-Carlosimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 GENHEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.2 CORSIKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
60 4.1.3 MUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.4 KM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.5 GEASIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.6 TriggerEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 BBfitmuontrackreconstructionalgorithm . . . . . . . . . . . . . 73
65 4.2.1 Brightpointfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2 Trackfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 AAfitmuontrackreconstructionalgorithm . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 Pre-selectionofhits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Fitsteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
iv70 5 AbsolutepointingoftheANTAREStelescopeusingtheacousticposi-
tioningsystem 77
5.1 Acousticpositioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.1 High Frequency Long BaseLine (HFLBL) acoustic posi-
tioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
75 5.1.2 FunctioningofHFLBLsystem . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1.3 Low Frequency Long BaseLine (LFLBL) acoustic posi-
tioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Absolutereferential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Pointingofthetelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
80 5.4 Soundvelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.1 Acousticcoordinatesystem . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.2 Threemainstepsfortriangulation . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.3 Optimizationofpointsposition . . . . . . . . . . . . . . 90
85 5.5.3.1 Singularvaluedecomposition . . . . . . . . . . 90
5.5.3.2 Definitionofrecurrencerelation . . . . . . . . 91
5.6 Absolute pointing by DGPS network and LFLBL acoustic posi-
tioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.6.1 RBabsoluteposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
90 5.6.2 BSSmeasurementbyLFLBLsystem . . 94
5.6.3 PointingbyLFLBLsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.6.4uncertaintyofLFLBLacousticpositioningsystem 97
5.6.5 RecalculationofuncertaintyofBSSposition . . . . . . . 99
5.7 AbsolutepointingbyHFLBLacousticpositioningsystem . . . . . 100
95 5.7.1 TelescopepointingbyHFLBLacousticpositioningsystem 100
5.7.2 TuncertaintyusingHFLBLsystem . . . 101
5.7.3 Systematicuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.7.3.1 Uncertainty on the measured acoustic distance
betweentheacousticemitterandreceiver . . . . 107
100 5.7.3.2 Effect of the uncertainty of BSS position given
byLFLBLsystemonthepointing . . . . . . . . 110
5.7.3.3 Uncertaintyonthesoundvelocity . . . . . . . . 111
5.7.3.4 Checkonthechoiceofthehydrophone . . . . . 111
5.8 Relativeuncertaintyonhydrophonepositions . . . . . . . . . . . 112
105 5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Searchforneutrinopointsourcesin2007datausingBBfit 113
6.1 DataSampleandtheMonte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 ComparisonsDatavs . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3 EffectiveAreaandvisibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
v110 6.4 AngularResolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.5 UnbinnedPointSourceSearchMethod . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.5.1 Sensitivityanddiscoverypotentialcalculation . . . . . . . 129
6.6 SearchStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.6.1 Candidatesourcelistsearchstrategy . . . . . . . . . . . . 131
115 6.6.2 Allskysearchstrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.7 CutOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.7.1 Selectedevents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.8 SystematicUncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.8.1 Systematicuncertaintyontheangularresolution . . . . . 139
120 6.8.2onthedetectorefficiency . . . . . 140
6.9 Skymaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.10 Dataresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.10.0.1 Thecandidatesourcesliststrategy . . . . . . . 147
6.10.0.2 Theall-skysearchstrategy . . . . . . . . . . . 157
125 6.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7 Searchforneutrinopointsourcesin2007+2008datausingAAfit 160
7.1 DatasampleandtheMonte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.2 EffectiveAreaandAngularResolution . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.3 SensitivityandDiscoveryPotential . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
130 7.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
A Cosmicraysacceleration 174
B UNESC