Searches for signals from cosmic point-like sources of high energy neutrinos in 5 years of AMANDA-II data

Abstract

AMANDA-II ist ein Neutrino-Teleskop, das sich im Eis des Suedpols befindet. Es wurde optimiert um Spuren von hochenergetischen Myonen, die in Neutrino-Wechselwirkungen entstanden sind, anhand ihrer Emission von Cerenkov-Licht zu detektieren. In dieser Arbeit analysieren wir die Daten, die in 1001 Tagen effektiver Detektorlaufzeit in den Jahren 2000 bis 2004 gesammelt worden sind, um ein Signal von einer Neutrino-Punktquelle zu finden. Ein derartiges Signal wird von kosmischen Objekten erwartet, die Hadronen zu sehr hohen Energien beschleunigen, welche daraufhin mit Photonen und Protonen in der Umgebung des Objekts wechselwirken. Die wichtigste Signatur um ein Myon aus einer Neutrino-Wechselwirkung zu identifizieren ist eine nach oben laufende Spur. Ein Datensatz mit 4282 aufwaertslaufenden Ereignissen wurde aus den ca. 10 Milliarden im Zeitraum dieser Analyse registrierten Ereignissen extrahiert. Diese Zahl ist konsistent mit der erwarteten Anzahl atmosphaerischer Neutrinos. In der Suche nach Punktquellen wird nach einem lokalen Ereignissueberschuss in diesem Datensatz gesucht. Zuerst wird ein Katalog von Quellkandidaten untersucht. Danach wird eine Rastersuche nach unbekannten Quellen auf dem ganzen noerdlichen Himmel durchgefuehrt. Darueberhinaus werden Methoden entwickelt um die Chancen einer Detektion von Quellen zu erhoehen von denen vermutet wird, dass ihre Neutrinoemission hochvariabel ist. Kein signifikanter lokaler Ereignissueberschuss wurde im analysierten Datensatz gefunden. Deswegen berechnen wir obere Grenzen fuer Neutrinofluesse, die mit dieser Beobachtung vertraeglich sind. Die mittlere obere Flussgrenze fuer ein Neutrinospektrum dPhi/dE proportional zu E^-2, die mit dieser Analyse erreicht wird, ist E^2 dPhi/dE = 1.0^-7 GeV cm^-2 s^-1 fuer den aufaddierten Fluss von nu_mu + nu_tau unter der Annahme eines Flavor-Verhaeltnisses von 1:1. Dies entspricht der momentan niedrigsten Flussgrenze fuer Neutrinofluesse von Punktquellen.

Abstract

AMANDA-II is a neutrino telescope located in the glacial ice at the South Pole. It is optimized to detect neutrino induced muon tracks with energies larger than 100 GeV by their Cerenkov light emission. We analyzed the data collected in 1001 effective days of detector operation between the years 2000 and 2004 for a signal from point-like sources of neutrinos. Such a signal is expected from cosmic objects that accelerate hadrons to very high energies, which subsequently interact with ambient protons or photons. The dominant event class recorded in AMANDA-II are muons produced in the interactions of cosmic rays in the atmosphere. Due to their energy loss, the muons cannot penetrate the Earth and have down-going directions. The main signature to identify a neutrino induced event is therefore its up-going direction. A sample of 4282 up-going events is extracted from the 10 billion events triggered in the period selected for this analysis. The search for point sources is accomplished on this data sample by looking for a localized excess over the isotropic background of atmospheric neutrinos. The procedure is applied for the directions of candidate sources, like Active Galactic Nuclei, Supernova remnants and X-ray binaries. In a second step, the full northern sky is scanned for unknown sources. Further, we investigate methods to enhance the detection chance for sources which are suspected to be highly variable neutrino emitters. No localized excess has been found in the analyzed dataset. Therefore, we calculate upper limits on the neutrino fluxes which are compatible with this observation. The average upper limit achieved for a combined nu_mu + nu_tau flux with a spectrum of dPhi/dE proportional to E^-2 is E^2 dPhi/dE = 1.0 10^-7 GeV cm^-2 s^-1 assuming a flavor ratio of 1:1. It represents the most stringent upper limit on neutrino fluxes from point-like sources reported so far.