Matthias J. Leuthold- Search for Cosmic High Energy Neutrinos with the AMANDA-B10 Detector

8/3/2019 Matthias J. Leuthold- Search for Cosmic High Energy Neutrinos with the AMANDA-B10 Detector

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S e a r c h f o r C o s m i c H i g h E n e r g y N e u t r i n o s w i t h t h e

A M A N D A - B 1 0 D e t e c t o r

D I S S E R T A T I O N

z u r E r l a n g u n g d e s a k a d e m i s c h e n G r a d e s

d o c t o r r e r u m n a t u r a l i u m

( d r . r e r . n a t . )

i m F a c h P h y s i k

e i n g e r e i c h t a n d e r

M a t h e m a t i s c h - N a t u r w i s s e n s c h a f t l i c h e n F a k u l t

a t I

H u m b o l d t - U n i v e r s i t

a t z u B e r l i n

v o n

D i p l . - P h y s . M a t t h i a s J . L e u t h o l d

g e b o r e n a m 2 3 . 0 2 . 1 9 7 1 i n D r e s d e n

P r

a s i d e n t d e r H u m b o l d t - U n i v e r s i t

a t z u B e r l i n :

P r o f . D r . J

u r g e n M l y n e k

D e k a n d e r M a t h e m a t i s c h - N a t u r w i s s e n s c h a f t l i c h e n F a k u l t

a t I :

P r o f . D r . B e r n h a r d R o n a c h e r

G u t a c h t e r :

1 . P r o f . D r . T h . L o h s e

2 . P r o f . D r . P . O . H u l t h

3 . P r o f . D r . P . S

o d i n g

E i n g e r e i c h t a m : 6 . O k t o b e r 2 0 0 1

T a g d e r m

u n d l i c h e n P r

u f u n g : 1 . N o v e m b e r 2 0 0 1


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A b s t r a c t

H i g h e n e r g y n e u t r i n o s a r e a p o s s i b l e p r o b e f o r c o s m i c a c c e l e r a t i o n m e c h a n i s m s . U s i n g d a t a t a k e n

w i t h t h e A M A N D A - B 1 0 d e t e c t o r i n 1 9 9 7 a n u p p e r l i m i t o f E

2

d = d E < 1 0

; 6

c m

; 2

s

; 1

s r

; 1

G e V

o n t h e u x o f c o s m i c n e u t r i n o s w i t h e n e r g i e s b e t w e e n 5 T e V a n d 1 P e V w a s o b t a i n e d .

K e y w o r d s :

N e u t r i n o s , C o s m i c r a y s , H i g h e n e r g y , A M A N D A


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5/111

Z u s a m m e n f a s s u n g

D i e s e A r b e i t b e s c h r e i b t d i e S u c h e n a c h h o c h e n e r g e t i s c h e n k o s m i s c h e n N e u t r i n o s m i t d e m

A M A N D A - B 1 0 D e t e k t o r .

D a s A n t a r c t i c M u o n a n d N e u t r i n o s D e t e c t i o n A r r a y - A M A N D A - i s t e i n E x p e r i m e n t z u m

N a c h w e i s h o c h e n e r g e t i s c h e r N e u t r i n o s . E s b e s t e h t a u s e i n e m G i t t e r o p t i s c h e r D e t e k t o r e n , d i e i n

d e n a n t a r k t i s c h e n G l e t s c h e r e i n g e s c h m o l z e n w u r d e n . H o c h e n e r g e t i s c h e M y o n n e u t r i n o s k

o n n e n

a n h a n d a u f w

a r t s l a u f e n d e r M y o n s p u r e n i d e n t i z i e r t w e r d e n . N u r N e u t r i n o s r e a g i e r e n a u s s c h l i e -

l i c h d u r c h d i e s c h w a c h e W e c h s e l w i r k u n g , w a s s i e z u r e i n z i g e n T e i l c h e n s o r t e m a c h t , d i e d i e g a n z e

E r d e d u r c h l a u f e n k a n n . A u f w

a r t s l a u f e n d e S p u r e n s i n d d a h e r e i n e k l a r e S i g n a t u r f

u r n e u t r i n o i n -

d u z i e r t e E r e i g n i s s e . D i e R i c h t u n g d e r M y o n e n k a n n a n h a n d d e s a b g e s t r a h l t e n C h e r e n k o v l i c h t e s

r e k o n s t r u i e r t w e r d e n . F

u r N e u t r i n o e n e r g i e n o b e r h a l b e i n i g e r h u n d e r t G e V b e h

a l t d a s M y o n d i e

R i c h t u n g d e s N e u t r i n o s i m w e s e n t l i c h e n b e i . A u s d e r R i c h t u n g d e s M y o n s k a n n d a h e r a u f d i e

R i c h t u n g d e s N e u t r i n o s g e s c h l o s s e n w e r d e n . D a s e r l a u b t d i e I d e n t i k a t i o n v o n Q u e l l e n .

D i e h

a u g s t e K l a s s e v o n U n t e r g r u n d e r e i g n i s s e n s i n d a b w

a r t s l a u f e n d e S p u r e n v o n M y o n e n , d i e

d u r c h k o s m i s c h e S t r a h l e n i n d e r E r d a t m o s p h

a r e e r z e u g t w e r d e n . D a m i t i s t d e r w i c h t i g s t e S e l e k -

t i o n s p a r a m e t e r d e r r e k o n s t r u i e r t e Z e n i t h w i n k e l . E i n w e i t e r e K l a s s e v o n U n t e r g r u n d e r e i g n i s s e n

f

u r d i e B e o b a c h t u n g k o s m i s c h e N e u t r i n o s s i n d a u f w

a r t s l a u f e n d e M y o n s p u r e n v o n s o g e n a n n t e n

a t m o s p h

a r i s c h e n N e u t r i n o s . D a s s i n d N e u t r i n o s , d i e v o n d e r k o s m i s c h e n S t r a h l u n g i n d e r A t -

m o s p h

a r e d e r N o r d h a l b k u g e l e r z e u g t w e r d e n , d i e E r d e d u r c h l a u f e n u n d a l s a u f w

a r t s l a u f e n d e

S p u r e n d i e g l e i c h e S i g n a t u r h a b e n w i e k o s m i s c h e N e u t r i n o s . I m F a l l e v o n P u n k t q u e l l e n i s t d i e

I d e n t i k a t i o n k o s m i s c h e r N e u t r i n o s

u b e r d i e H

a u f u n g v o n N e u t r i n o s a u s e i n e r b e s t i m m t e n R i c h -

t u n g m

o g l i c h . E i n e w e i t e r e M

o g l i c h k e i t , k o s m i s c h e N e u t r i n o s v o n a t m o s p h

a r i s c h e n N e u t r i n o s z u

u n t e r s c h e i d e n , i s t d i e E n e r g i e v e r t e i l u n g : a t m o s p h

a r i s c h e N e u t r i n o s h a b e n e i n E n e r g i e s p e k t r u m

m i t e i n e m s p e k t r a l e n I n d e x v o n u n g e f

a h r - 3 . 7 , w

a h r e n d f

u r k o s m i s c h e N e u t r i n o s e i n S p e k t r u m

m i t e i n e m s p e k t r a l e n I n d e x v o n - 2 e r w a r t e t w i r d . D i e S i g n a t u r k o s m i s c h e r N e u t r i n o s i s t d a h e r

e i n

U b e r s c h u v o n h o c h e n e r g e t i s c h e n E r e i g n i s s e n . Z u r S e l e k t i o n d i e s e r E r e i g n i s s e i s t e i n E n e r -

g i e p a r a m e t e r n o t w e n d i g .

D a s T h e m a d i e s e r A r b e i t i s t d i e S u c h e n a c h e i n e m d i u s e n F l u h o c h e n e r g e t i s c h e r k o s m i s c h e r

N e u t r i n o s , a l s d i e

U b e r l a g e r u n g d e r F l

u s s e v o n v i e l e n , f

u r s i c h g e n o m m e n n i c h t n a c h w e i s b a -

r e n Q u e l l e n . Z u m N a c h w e i s d e r F u n k t i o n s f

a h i g k e i t d e s D e t e k t o r s w u r d e z u e r s t d i e S e p a r a t i o n

v o n a t m o s p h

a r i s c h e n N e u t r i n o s m i t e n t w i c k e l t . D i e e r h a l t e n e n K a n d i d a t e n w u r d e n a u f e i n e n

U b e r s c h u h o c h e n e r g e t i s c h e r N e u t r i n o s u n t e r s u c h t . D a z u w u r d e d i e M e t h o d e z u r E n e r g i e r e -

k o n s t r u k t i o n , d i e f

u r d e n B a i k a l - D e t e k t o r e n t w i c k e l t w u r d e , a n d i e o p t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n v o n

E i s a n g e p a t . E i n e A n a l y s e d e r F e h l e r b e i t r

a g e e r g a b j e d o c h , d a s t o c h a s t i s c h e F l u k t u a t i o n e n

d e r E n e r g i e - u n d d a m i t L i c h t d e p o s i t i o n d i e E n e r g i e a u

o s u n g b e g r e n z e n . D i e S u c h e n a c h a l -

t e r n a t i v e n e n e r g i e a b h

a n g i g e n S e l e k t i o n s p a r a m e t e r n e r g a b d i e A n z a h l d e r g e t r o e n K a n

a l e a l s

e e k t i v e n S e l e k t i o n s p a r a m e t e r f

u r h o c h e n e r g e t i s c h e E r e i g n i s s e . M i t d i e s e m P a r a m e t e r k o n n t e


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d i e S e n s i t i v i t

a t d e s D e t e k t o r s f

u r h o c h e n e r g e t i s c h e E r e i g n i s s e a b g e s c h

a t z t w e r d e n . E i n e d e t a i l -

l i e r t e A n a l y s e e r g a b j e d o c h s y s t e m a t i s c h e A b w e i c h u n g e n z w i s c h e n D a t e n u n d M o n t e C a r l o .

A l s K o n s e q u e n z w u r d e e i n s e p a r a t e r F i l t e r f

u r h o c h e n e r g e t i s c h e E r e i g n i s s e e n t w i c k e l t . M i t

S e p a r a t i o n s s c h n i t t e n a u f n u r f

u n f P a r a m e t e r k o n n t e n d i e D a t e n a u f w e n i g e r a l s e i n P r o z e n t

r e d u z i e r t w e r d e n . D i e a b s c h l i e e n d e n S c h n i t t e w u r d e n m i t e i n e m O p t i m i e r u n g s p r o g r a m m e n t -

w i c k e l t . Z u r O p t i m i e r u n g d e r S e n s i t i v i t

a t w u r d e e i n e V i e l f a l t v o n P a r a m e t e r n v e r g l i c h e n . E i n

S a t z b e s o n d e r s h o c h e n e r g e t i s c h e r E r e i g n i s s e k o n n t e s e l e k t i e r t w e r d e n . D i e Z a h l u n d V e r t e i l u n g

d e r E r e i g n i s s e i s t k o n s i s t e n t m i t d e r E r w a r t u n g f

u r a t m o s p h

a r i s c h e N e u t r i n o e r e i g n i s s e . E i n

U b e r s c h u v o n E r e i g n i s s e n h o h e r E n e r g i e w u r d e n i c h t b e o b a c h t e t . N a c h e i n e m l e t z t e n S c h n i t t

a u f d i e A n z a h l d e r g e t r o e n e n K a n

a l e a l s E n e r g i e p a r a m e t e r l i e s i c h d a h e r e i n e o b e r e G r e n z e

f

u r d e n F l u h o c h e n e r g e t i s c h e r k o s m i s c h e r N e u t r i n o s a b l e i t e n . U n t e r d e r g e n e r i s c h e n A n n a h m e

e i n e s E

; 2

- S p e k t r u m s e r g i b t s i c h e i n e G r e n z e f

u r E n e r g i e n z w i s c h e n 5 1 0

3

G e V u n d 1 1 0

6

G e V

v o n

E

2

d

+

d E

9 0 % C : L :

1 : 0 1 0

; 6

c m

; 2

s

; 1

s r

; 1

G e V :

D e r s y s t e m a t i s c h e F e h l e r d u r c h d i e U n s i c h e r h e i t e n d e r E r w a r t u n g f

u r d e n a t m o s p h

a r i s c h e n

N e u t r i n o u , d i e U n s i c h e r h e i t d e r S e n s i t i v i t

a t d e r o p t i s c h e n M o d u l e u n d d i e U n s i c h e r h e i t e n d e r

S i m u l a t i o n v o n M y o n - u n d P h o t o n p r o p a g a t i o n w u r d e m i t m a x i m a l 1 0 % a b g e s c h

a t z t u n d i s t i n

d e r F l u g r e n z e b e r

u c k s i c h t i g t .

D e r V e r g l e i c h z u a n d e r e n e x p e r i m e n t e l l e n F l u g r e n z e n u n d t h e o r e t i s c h e n V o r h e r s a g e n i s t

i n A b b i l d u n g 8 . 1 g e z e i g t . D i e h i e r v o r g e s t e l l t e F l u g r e n z e i s t d i e g e g e n w

a r t i g h

a r t e s t e e x p e -

r i m e n t e l l e G r e n z e i m a n g e g e b e n e n E n e r g i e b e r e i c h . D e r W e r t i s t g e r i n g f

u g i g n i e d r i g e r a l s e i n e

t h e o r e t i s c h e G r e n z e , d i e a u s d e r I n t e n s i t

a t d e r d i u s e n k o s m i s c h e n G a m m a s t r a h l u n g a b g e l e i t e t

w u r d e , u n d s c h l i e t e i n e s d e r M o d e l l e f

u r A k t i v e G a l a k t i s c h e K e r n e m i t N e u t r i n o p r o d u k t i o n i n

P r o t o n - P r o t o n - W e c h s e l w i r k u n g e n k n a p p a u s .

D a s E r g e b n i s d i e s e r A r b e i t i s t a l s v o r l

a u g e F l u g r e n z e a u f z w e i i n t e r n a t i o n a l e n K o n f e r e n z e n

g e z e i g t w o r d e n u n d w i r d i n e i n e r Z e i t s c h r i f t p u b l i z i e r t w e r d e n .

D a s w e s e n t l i c h e m e t h o d i s c h e E r g e b n i s d i e s e r A r b e i t i s t d i e E n t w i c k l u n g u n d s y s t e m a t i s c h e

A n a l y s e e i n e s F i l t e r s f

u r h o c h e n e r g e t i s c h e k o s m i s c h e N e u t r i n o s . D i e E n t w i c k l u n g d e s V e r s t

a n d n i s -

s e s d e r D a t e n h a t m e h r e r e J a h r e i n A n s p r u c h g e n o m m e n . I n d i e s e r Z e i t s i n d d e r D e t e k t o r v e r -

v o l l s t

a n d i g t u n d m e h r D a t e n g e n o m m e n w o r d e n . D i e A n a l y s e d i e s e r D a t e n s o l l t e e i n e b a l d i g e

V e r b e s s e r u n g d e r S e n s i t i v i t

a t u m e i n e n F a k t o r 5 b i s 1 0 e r m

o g l i c h e n .

S c l a g w

o r t e r :

N e u t r i n o s , k o s m i s c h e S t r a h l u n g , H o c h e n e r g i e , A M A N D A


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A c k n o w l e d g m e n t s

T h i s w o r k h a s b e e n m a d e p o s s i b l e b y t h e s u p p o r t o f m a n y p e o p l e . I t i s m y p l e a s u r e t o a c k n o w l -

e d g e t h e i r c o n t r i b u t i o n s a t t h i s p o i n t .

F i r s t o f a l l , I w a n t t o t h a n k D r . C h r i s t i a n S p i e r i n g f o r t h e i g n i t i o n o f m y f a s c i n a t i o n i n n e u -

t r i n o a s t r o n o m y , t h e s p a c e t o d e v e l o p m y i d e a s a n d t h e s u p p o r t i n t h e p h a s e o f c o m p l e t i o n . I

t h a n k P r o f . D r . T . L o h s e f o r t a k i n g t h e r e s p o n s i b i l i t y f o r t h i s w o r k . F u r t h e r I w o u l d l i k e t o

t h a n k D r . P e t e r S t e e n f o r h i s c a l m a n d f r i e n d l y a d v i c e i n t h e s e c o n d h a l f o f m y w o r k .

I v e r y m u c h a p p r e c i a t e d t h e s u p p o r t o f t h e m e m b e r s o f A M A N D A g r o u p i n Z e u t h e n . E s -

p e c i a l l y f o r t h e p r o o f r e a d i n g o n s h o r t n o t i c e I t h a n k A l e x a n d e r B i r o n , S e b a s t i a n B o s e r , T o n i o

H a u s c h i l d , M a r e k K o w a l s k i a n d H e n r i k e W i s s i n g .

A n o t h e r g r o u p o f p e o p l e h a s c o n t r i b u t e d t o t h i s w o r k d u r i n g s e v e r a l w o r k i n g v i s i t s i n M a d i -

s o n a n d S t o c k h o l m . I w o u l d l i k e t o t h a n k F r a n c i s H a l z e n a n d P e r - O l o f H u l t h f o r m a k i n g t h e s e

s t a y s p o s s i b l e . F u r t h e r I w o u l d l i k e t o t h a n k G a r y H i l l f o r t h e i n t r o d u c t i o n t o t h e p h y s i c s a n d

m e t h o d s o f d i u s e n e u t r i n o u x m e a s u r e m e n t s , T y c e D e Y o u n g f o r f r u i t f u l d i s c u s s i o n s o n s c i -

e n c e , n o n - s c i e n c e a n d t h e i m p o r t a n c e o f s t y l e , a n d K a t h e r i n e R a w l i n s f o r i n t e n s i v e p r o o f r e a d i n g .

E x p l i c i t e l y I w o u l d l i k e t o t h a n k S t e p h a n H u n d e r t m a r k a n d O l e S t r e i c h e r f o r t h e i n t r o d u c -

t i o n t o t h e t e c h n i c a l a n d s o c i a l c i r c u m s t a n c e s o f S i e g m u n d a n d A M A N D A . I t h a n k C h r i s t o p h e r

W i e b u s c h f o r a n i n t e n s e a n d s h o r t p h a s e o f f r u i t f u l c o l l a b o r a t i o n a t t h e v e r y b e g i n n i n g o f m y

t i m e w i t h A M A N D A .

I t h a n k H e n r i k e W i s s i n g f o r a n e n j o y a b l e y e a r o f w o r k o n I c e C u b e a n d t h e i n s p i r a t i o n d u r i n g

t h e w r i t e u p o f t h i s w o r k , M a r k u s G a u g f o r p a t i e n t a n d a m b i t i o u s i n s t r u c t i o n s o n c u t e v a l .

F i n a l l y I w a n t t o t h a n k t h e n o n - a m a n d i s t s t h a t h a v e s u p p o r t e d m e d u r i n g t h e t i m e o f t h i s

w o r k : S a b i n e S c h l o s s e r , H i l d r u n F r e u l i n g , D r . A g a t h e I s r a e l , T i l o H o h n e l , M i c h a e l K o p p i t z ,

K a t h r i n R o s c h e l , K e r s t i n H o r n i c h a n d K a t h r i n W e r n e r .

A b s c h l i e e n d m o c h t e i c h d i e G e l e g e n h e i t n u t z e n , u m m i c h b e i m e i n e n E l t e r n f u r v i e l e J a h r e

d e r U n t e r s t u t z u n g u n d E r m u t i g u n g z u b e d a n k e n .


8/111


9/111

C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n 1 1

2 H i g h E n e r g y N e u t r i n o S o u r c e s 1 3

2 . 1 C o s m i c P a r t i c l e A c c e l e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

2 . 2 T h e P r i m a r y C o s m i c R a y S p e c t r u m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

2 . 3 N e u t r i n o P r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

2 . 4 G u a r a n t e e d N e u t r i n o S o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

2 . 4 . 1 A t m o s p h e r i c N e u t r i n o s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

2 . 4 . 2 G a l a c t i c N e u t r i n o s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

2 . 4 . 3 C o s m o l o g i c a l N e u t r i n o s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

2 . 5 P o s s i b l e N e u t r i n o S o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

2 . 5 . 1 G a l a c t i c S o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

2 . 5 . 2 E x t r a g a l a c t i c N e u t r i n o S o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

2 . 5 . 3 O t h e r N e u t r i n o S o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

2 . 6 D i u s e F l u x e s a n d L i m i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

3 D e t e c t i o n o f H i g h E n e r g y N e u t r i n o s 3 1

3 . 1 T h e D e t e c t i o n P r i n c i p l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

3 . 2 T h e C h e r e n k o v E e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

3 . 3 N e u t r i n o C r o s s S e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

3 . 4 M u o n D e t e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4

3 . 4 . 1 E n e r g y L o s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

3 . 4 . 2 L i g h t P r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

3 . 4 . 3 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

3 . 5 E x i s t i n g D e t e c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

4 T h e A M A N D A - B 1 0 d e t e c t o r 3 8

4 . 1 D e p l o y m e n t H i s t o r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

4 . 2 T h e S t r i n g S t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9

4 . 3 T h e O p t i c a l M o d u l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

4 . 4 E l e c t r o n i c s a n d D a t a A c q u i s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

4 . 5 C a l i b r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

4 . 6 O p t i c a l P r o p e r t i e s o f t h e I c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2

4 . 7 E x p e r i m e n t a l D a t a S e t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

9


10/111

5 A n a l y s i s T o o l s a n d M e t h o d s 4 5

5 . 1 M o n t e C a r l o S i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5

5 . 1 . 1 E v e n t G e n e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

5 . 1 . 2 M u o n P r o p a g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

5 . 1 . 3 P h o t o n P r o p a g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

5 . 1 . 4 D e t e c t o r S i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

5 . 2 E v e n t R e c o n s t r u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

5 . 2 . 1 F i r s t G u e s s F i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

5 . 2 . 2 L i k e l i h o o d R e c o n s t r u c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

5 . 3 C u t S e l e c t i o n a n d O p t i m i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

5 . 4 T h e M e t h o d o f A v e r a g e U p p e r L i m i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

6 F l u x L i m i t b a s e d o n t h e A t m o s p h e r i c N e u t r i n o S e l e c t i o n 5 9

6 . 1 N e u t r i n o S e p a r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0

6 . 2 E n e r g y S e l e c t i o n P a r a m e t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6

6 . 3 D a t a - M C D i s c r e p a n c i e s a n d L i m i t C a l c u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8

6 . 4 S e l e c t i o n O p t i m i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1

6 . 5 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

7 F l u x l i m i t b a s e d o n h i g h e n e r g y s e l e c t i o n 7 3

7 . 1 M o t i v a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3

7 . 2 H i g h E n e r g y N e u t r i n o F i l t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4

7 . 3 C u t S e l e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6

7 . 3 . 1 O p t i m i z a t i o n F u n c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6

7 . 3 . 2 C u t S e t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7

7 . 3 . 3 C u t E x t r a p o l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9

7 . 4 H i g h E n e r g y S e l e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4

7 . 5 L i m i t C a l c u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9

7 . 6 S y s t e m a t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2

7 . 7 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8

8 C o n c l u s i o n a n d O u t l o o k 9 9

1 0


11/111

C h a p t e r 1

I n t r o d u c t i o n

T h e o b s e r v a t i o n o f t h e s t a r s h a s f a s c i n a t e d h u m a n s f o r t h o u s a n d s o f y e a r s . T h e l o n g e s t t i m e

t h e n a k e d e y e w a s t h e o n l y w a y t o o b s e r v e t h e s k y s . W i t h t h e i n v e n t i o n o f t h e t e l e s c o p e , t h e

h o r i z o n e x t e n d e d a n d c h a n g e d t h e h u m a n u n d e r s t a n d i n g o f t h e w o r l d . T h e m e t h o d s i n v e n t e d

o v e r t h e l a s t c e n t u r y h a v e e x p a n d e d t h e e l d o f v i e w o v e r t h e e n t i r e r a n g e o f t h e e l e c t r o - m a g -

n e t i c s p e c t r u m . T o d a y w e w a t c h t h e s k y a t a l l w a v e l e n g t h s f r o m r a d i o a n d i n f r a r e d t o X - r a y

a n d g a m m a r a y e n e r g i e s , o v e r m a n y o r d e r s o f m a g n i t u d e i n w a v e l e n g t h .

W i t h t h e d i s c o v e r y o f c o s m i c r a d i a t i o n i n 1 9 1 2 , t h e p r o t o n e s t a b l i s h e d a s a n e w t y p e o f m e s -

s a n g e r f r o m s p a c e . C o s m i c r a y s h a v e b e e n o b s e r v e d t o w i t h e n e r g i e s o f u p t o 1 0

2 0

e V , w h i c h

i s t h e e n e r g y o f a t e n n i s b a l l y i n g w i t h 2 0 0 k m / h c o n c e n t r a t e d i n o n e s i n g l e p a r t i c l e . T h i s

l e d t o o n e o f t h e m o s t e x c i t i n g p u z z l e s i n m o d e r n a s t r o n o m y { t h e q u e s t i o n a b o u t t h e o r i g i n

o f h i g h e n e r g y c o s m i c r a y s . S i n c e c h a r g e d p a r t i c l e s a r e d e e c t e d i n c o s m i c m a g n e t i c e l d s ,

s o u r c e i d e n t i c a t i o n r e q u i r e s t h e e x p l o i t a t i o n o f n e u t r a l i n f o r m a t i o n c a r r i e r s . A d o z e n s o u r c e s

o f T e V g a m m a r a y s h a v e b e e n d e t e c t e d o v e r t h e l a s t d e c a d e . S t i l l , a n a l a n s w e r m a y c o m e o n l y

f r o m a f u r t h e r p r i n c i p a l e x t e n s i o n o f t h e o b s e r v a t i o n a l w i n d o w { n e u t r i n o a s t r o n o m y .

N e u t r i n o s a r e t h e o n l y h i g h e n e r g y p a r t i c l e s t h a t c a n c a r r y i n f o r m a t i o n f r o m t h e e d g e o f t h e

u n i v e r s e a n d f r o m d e e p i n s i d e t h e m o s t c a t a c l y s m i c h i g h e n e r g y p r o c e s s e s . A e c t e d o n l y b y t h e

w e a k f o r c e ( t h e g r a v i t a t i o n a l f o r c e i s n e g l i g i b l e ) , t h e y t r a v e l u n d e e c t e d b y m a g n e t i c e l d s a n d

e s s e n t i a l l y u n a b s o r b e d o v e r c o s m o l o g i c a l d i s t a n c e s .

T h e s m a l l c r o s s s e c t i o n t h a t s u g g e s t s t h e n e u t r i n o a s a m e s s e n g e r o v e r l a r g e d i s t a n c e s a n d

f r o m d e n s e a c c e l e r a t o r r e g i o n s m a k e s i t h a r d t o d e t e c t a t t h e s a m e t i m e . T h e r e f o r e l a r g e d e -

t e c t i o n a r e a s a r e r e q u i r e d . T h e b e n c h m a r k a r e a s e t b y c u r r e n t s o u r c e m o d e l s i s o f t h e o r d e r

o f 1 k m

2

1 ] . T h e c o n s t r u c t i o n o f u n d e r g r o u n d d e t e c t o r s w i t h t h e s e d i m e n s i o n s i s e x c l u d e d b y

o b v i o u s r e a s o n s . T h e r e m a i n i n g s o l u t i o n i s t h e i n s t r u m e n t a t i o n o f n a t u r a l l y o c c u r i n g m e d i a ,

l i k e w a t e r , i c e o r a i r .

U n d e r w a t e r / i c e n e u t r i n o t e l e s c o p e s c o n s i s t o f a l a t t i c e o f p h o t o m u l t i p l i e r s w h i c h d e t e c t t h e

C h e r e n k o v l i g h t e m i t t e d b y c h a r g e d s e c o n d a r y p a r t i c l e s f r o m n e u t r i n o i n t e r a c t i o n s . A M A N D A

i s t h e l a r g e s t o f t h e s e a r r a y s . I t i s l o c a t e d a t t h e g e o g r a p h i c S o u t h P o l e a n d t a k e s d a t a s i n c e

1 9 9 6 . A f t e r a l o t o f e o r t h a s b e e n i n v e s t e d t o c o n s t r u c t a n d u p g r a d e t h e d e t e c t o r , t h e l a s t

1 1


12/111

1 2

y e a r s w e r e n e e d e d t o d e v e l o p t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e d a t a . T h i s w a s a n o n - t r i v i a l t a s k s i n c e

i c e i s a v e r y n o n - h o m o g e n e o u s m e d i u m . W i t h t h e c o n s o l i d a t i o n o f t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e a t -

m o s p h e r i c n e u t r i n o s i g n a l , t h e s t a g e h a s b e e n s e t f o r t h e s e a r c h f o r c o s m i c ( i . e e x t r a - t e r r e s t r i a l )

n e u t r i n o s .

O n e o f t h e p o s s i b i l i t i e s t o d e t e c t a u x o f c o s m i c n e u t r i n o s i s t h e s e a r c h f o r a c u m u l a t i v e ,

d i u s e u x o f a p o p u l a t i o n o f u n r e s o l v e d s o u r c e s . D u e t o t h e r e l a t i v e l y h a r d s p e c t r u m e x p e c t e d

f r o m c o s m i c a c c e l e r a t o r s , i t w o u l d b e o b s e r v a b l e a s a n e x c e s s o v e r a t m o s p h e r i c n e u t r i n o s y i e l d -

i n g a t a i l a t h i g h e n e r g i e s . T h e s e a r c h f o r s u c h a d i u s e u x o f c o s m i c n e u t r i n o s w a s t h e t o p i c

o f t h i s t h e s i s .

I n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r p o s s i b l e n e u t r i n o s o u r c e s a n d t h e l a n d s c a p e o f u x p r e d i c t i o n s a n d

l i m i t s w i l l b e i n t r o d u c e d . I n c h a p t e r t h r e e t h e p r i n c i p l e o f d e t e c t i o n o f h i g h e n e r g y n e u t r i n o s

a n d t h e e x i s t i n g d e t e c t o r s w i l l b e d e s c r i b e d . C h a p t e r f o u r i s f o c u s e d o n t h e A M A N D A d e t e c t o r .

I n c h a p t e r v e t h e M o n t e C a r l o a n d t h e m e t h o d s u s e d l a t e r o n a r e i n t r o d u c e d . I n c h a p t e r s i x

t h e a n a l y s i s o f t h e a t m o s p h e r i c n e u t r i n o s a m p l e t h a t w a s a n i m p o r t a n t i n p u t f o r t h e h i g h e n e r g y

n e u t r i n o s e a r c h i s d i s c u s s e d . T h e m a i n r e s u l t s o f t h i s t h e s i s , t h e s e p a r a t i o n o f a h i g h e n e r g y

n e u t r i n o s a m p l e a n d t h e d e r i v a t i o n o f a n u p p e r l i m i t a r e d e s c r i b e d i n c h a p t e r s e v e n .


13/111

C h a p t e r 2

H i g h E n e r g y N e u t r i n o S o u r c e s

T h e m a i n m o t i v a t i o n f o r h i g h e n e r g y n e u t r i n o a s t r o n o m y i s t h e s e a r c h f o r t h e o r i g i n o f c o s m i c

r a y s . C o s m i c r a y s a r e o b s e r v e d o v e r m a n y o r d e r s o f m a g n i t u d e i n e n e r g y a n d i n u x . T h e

s o u r c e s t h a t a c c e l e r a t e p r o t o n s t o e n e r g i e s o f 1 0

2 0

e V a r e s t i l l u n k n o w n .

N o n - t h e r m a l g a m m a r a y s p e c t r a o f a c t i v e g a l a c t i c n u c l e i ( A G N ) , g a m m a r a y b u r s t s ( G R B s )

o r s u p e r n o v a r e m n a n t s ( S N R ) i n d i c a t e p o p u l a t i o n s o f r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e s s u g g e s t i n g t h e m a s

c o s m i c a c c e l e r a t o r s . B e c a u s e c h a r g e d p a r t i c l e s a r e d e e c t e d i n g a l a c t i c m a g n e t i c e l d s a n d

a b s o r b e d b y i n t e r s t e l l a r m e d i a , o n l y n e u t r a l m e s s e n g e r s a r e w e l l s u i t e d f o r l o c a t i o n o f c o s m i c

r a y s o u r c e s .

P h o t o n s t h a t t r a v e l s t r a i g h t t h r o u g h t h e m a g n e t i c e l d s h o w e v e r a r e a t t e n u a t e d d u e t o a b -

s o r p t i o n b y d u s t , a n d a t h i g h e r e n e r g i e s b y p a i r p r o d u c t i o n w i t h t h e i n f r a r e d a n d t h e c o s m i c

m i c r o w a v e b a c k g r o u n d r a d i a t i o n : ( +

I R C M B R

!e

+

+ e

;

) . T h u s t h e g a m m a r a y h o r i z o n

i s l i m i t e d . I n g u r e 2 . 1 t h e h o r i z o n f o r h i g h e n e r g y g a m m a s i s s h o w n w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g

r a d i a t i o n c a u s i n g t h e g a m m a r a y a b s o r p t i o n . F u r t h e r , g a m m a r a y s m a y o r i g i n a t e f r o m t h e d e c a y

o f n e u t r a l p i o n s c r e a t e d i n h a d r o n i c i n t e r a c t i o n s b u t c a n a s w e l l b e p r o d u c e d b y e l e c t r o n s v i a

s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n a c c o m p a n i e d b y i n v e r s e C o m p t o n s c a t t e r i n g .

A l t e r n a t i v e m e s s e n g e r s a r e n e u t r i n o s . T h e y a r e e x c l u s i v e l y e x p e c t e d f r o m p r o t o n a c c e l e r a t o r s .

B e c a u s e t h e y i n t e r a c t o n l y w e a k l y t h e y a r e a u n i q u e p r o b e i n t o i n n e r r e g i o n s o f a n o p t i c a l l y

t h i c k s o u r c e o r e v e n f o r r e g i o n s o f s p a c e t h a t a r e h i d d e n t o p h o t o n a s t r o n o m y c o m p l e t e l y . I n

t h i s s e n s e n e u t r i n o a s t r o n o m y i s a n e w o b s e r v a t i o n a l w i n d o w i n t o t h e u n i v e r s e .

I n t h i s c h a p t e r c a n d i d a t e s f o r p r o t o n a c c e l e r a t i o n a s p o s s i b l e n e u t r i n o s o u r c e s s h a l l b e i n t r o -

d u c e d . T h e r e i s a n u m b e r o f i n g r e d i e n t s t o t h e d e r i v a t i o n o f n e u t r i n o u x p r e d i c t i o n s t h a t a r e

r e l a t i v e l y s e t t l e d . T h e y w i l l b e i n t r o d u c e d b e f o r e h a n d t o p r e p a r e t h e g r o u n d f o r t h e d i s c u s s i o n

o f t h e l a n d s c a p e o f n e u t r i n o u x p r e d i c t i o n s a n d l i m i t s :

A T h e c o m m o n l y a s s u m e d a c c e l e r a t i o n m e c h a n i s m f o r c o s m i c r a y s i s F e r m i a c c e l e r a t i o n . T h e

s e a r c h f o r s o u r c e s o f t h e c o s m i c r a y s i s a s e a r c h f o r c o s m i c o b j e c t s t h a t a r e h o s t s t o s h o c k

w a v e s o r m a g n e t i c t u r b u l e n c e s t h a t c a u s e F e r m i a c c e l e r a t i o n ( s e c t i o n 2 . 1 ) .

B T h e c o s m i c r a y s p e c t r u m o b s e r v e d i s o n e o f t h e m a i n m o t i v a t i o n s a n d g u i d e l i n e f o r

p r e d i c t i o n s a t t h e s a m e t i m e . T o g e t h e r w i t h t h e g a m m a r a y s p e c t r u m i t s e r v e s a s t h e

b a s i s f o r t h e d e r i v a t i o n o f b o u n d s o n t h e e x p e c t e d d i u s e n e u t r i n o b a c k g r o u n d u x . T h e

o b s e r v a t i o n w i l l b e d i s c u s s e d i n s e c t i o n 2 . 2 a n d t h e l i m i t c a l c u l a t i o n i n s e c t i o n 2 . 6 .

1 3


14/111

1 4

105

104

103

102

101

100

101

102

103

redshift z

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

energy

log

10

[E/eV]

105

104

103

102

101

100

101

102

103

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Eew

~ (GF)

1/2

GalacticCenter

Mrk501

maximumo

fstarformation

firstobjectsform

e e

p e+

e

p

e+

e

3K

IR

VIS

UV

F i g u r e 2 . 1 : G a m m a r a y h o r i z o n . T h e b l a z a r M a k a r i a n 5 0 1 i s o n e o f t h e f e w T e V g a m m a r a y

s o u r c e s o b s e r v e d . T h e s t e e p e n i n g i n t h e s p e c t r u m a b o v e 1 0 T e V i s e x p l a i n e d b y a b s o r p t i o n d u e

t o t h e d i u s e i n f r a r e d b a c k g r o u n d r a d i a t i o n 2 ] ( g u r e t a k e n f r o m 3 ] ) .

C N e u t r i n o p r o d u c t i o n p r o c e s s e s a r e w e l l u n d e r s t o o d f r o m t e r r e s t r i a l a c c e l e r a t o r l a b o r a t o r y

p h y s i c s . T h e d e c a y s r e l e v a n t f o r c o s m i c n e u t r i n o p r o d u c t i o n w i l l b e i n t r o d u c e d a l l o w i n g

f o r a c l a s s i c a t i o n a c c o r d i n g t o t h e p r o p e r t i e s o f t h e p r o t o n b e a m a n d t h e t a r g e t f o r m i n g

t h e n a t u r a l n e u t r i n o f a c t o r i e s ( s e c t i o n 2 . 3 ) .

A f t e r t h e d e s c r i p t i o n o f t h e i n g r e d i e n t s t h e p o s s i b l e n e u t r i n o s o u r c e s a n d u x l i m i t s w i l l b e i n -

t r o d u c e d i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e m o t i v a t i o n f o r h i g h e n e r g y n e u t r i n o t e l e s c o p e s ( s e c t i o n 2 . 6 ) .

I n t h i s c h a p t e r i t w i l l b e s h o w n t h a t t h e i n v e s t i g a t i o n o f h i g h e n e r g y c o s m i c n e u t r i n o s i s a t o o l

t o p r o b e c o s m i c o b j e c t s w i t h r e s p e c t t o t h e i r p r o t o n a c c e l e r a t i o n c a p a b i l i t i e s . B e s i d e s t h e s e a r c h

f o r t h e o r i g i n o f t h e c o s m i c r a y s t h e r e a r e s e c o n d a r y m o t i v a t i o n s f o r n e u t r i n o a s t r o n o m y :

T h e e x p e r i m e n t a l t e s t o f t h e n e u t r i n o - n u c l e o n c r o s s s e c t i o n s a t e n e r g i e s n o t a v a i l a b l e

f r o m m a n m a d e a c c e l e r a t o r s w a s t h e m o t i v a t i o n f o r t h e r s t p r o p o s a l b y M a r k o v ( 1 9 6 0 ) t o

o b s e r v e u p w a r d m o v i n g l e p t o n s i n u n d e r g r o u n d d e t e c t o r s .

I f t h e r e a r e e x o t i c p a r t i c l e s s u c h a s W I M P s o r m a g n e t i c m o n o p o l e s t h e y w i l l b e d e t e c t a b l e

w i t h l a r g e o p e n m e d i u m C h e r e n k o v d e t e c t o r s .

F r e q u e n t l y m e n t i o n e d i s t h e f a s c i n a t i o n t h a t t h e r e m i g h t b e t h e c o m p l e t e l y u n e x p e c t e d

s o u r c e a s h a s o c c u r r e d o n c e i n a w h i l e w h e n c o m p l e t e l y n e w m e t h o d s o r s e a r c h w i n d o w s

w e r e u s e d t o o b s e r v e n a t u r e .


15/111

1 5

2 . 1 C o s m i c P a r t i c l e A c c e l e r a t i o n

F e r m i a c c e l e r a t i o n 4 , 5 ] i s c o m m o n l y a c c e p t e d a s t h e m o s t p l a u s i b l e m e c h a n i s m f o r c o s m i c

p a r t i c l e a c c e l e r a t i o n b e c a u s e i t e x p l a i n s t h e p o w e r l a w e n e r g y s p e c t r u m o b s e r v e d f o r c o s m i c r a y s

a n d g a m m a r a y s q u i t e n a t u r a l l y .

T h e t w o m a i n e l e m e n t s o f F e r m i a c c e l e r a t i o n a r e t h e a s s u m p t i o n t h a t ( i ) a p a r t i c l e p a s s e s

t h r o u g h t h e a c c e l e r a t i o n r e g i o n s e v e r a l t i m e s ( e n c o u n t e r s ) g a i n i n g a x e d f r a c t i o n f o f i t s e n e r g y

e v e r y t i m e a n d ( i i ) t h a t t h e e s c a p e p r o b a b i l i t y P

e s c

a t e v e r y e n c o u n t e r i s c o n s t a n t . T h e e n e r g y

a f t e r n e n c o u n t e r s c a n b e w r i t t e n a s E

n

= E

0

( 1 + f )

n

. T h e p r o b a b i l i t y t o n d t h e p a r t i c l e i n

t h e a c c e l e r a t o r r e g i o n a f t e r n e n c o u n t e r s i s P

n

= ( 1 ; P

e s c

)

n

. C o m b i n i n g t h e t w o y i e l d s a p o w e r

l a w s p e c t r u m . T h e n u m b e r o f p a r t i c l e s w i t h e n e r g y b e t w e e n E a n d E + d E i s g i v e n b y

d N

d E

/ N

0

E

; ( + 1 )

w i t h =

l n 1 = ( 1

;P

e s c

) ]

l n 1 + f ]

= 1 + ( 2 . 1 )

w h e r e d e p e n d s o n t h e d e t a i l s o f t h e s h o c k d y n a m i c s a n d d e n s i t y a n d r a n g e s b e t w e e n 0 a n d 0 . 3 .

O n e s e p a r a t e s t w o t y p e s o f F e r m i a c c e l e r a t i o n n a m e d a c c o r d i n g t o t h e o r d e r o f i n t h e e n e r g y

g a i n , w h e r e i s t h e s p e e d o f t h e s h o c k f r o n t o r t h e m a g n e t i c c l o u d t h a t d e l i v e r s t h e e n e r g y f o r

t h e p a r t i c l e a c c e l e r a t i o n 6 ] .

F i r s t o r d e r F e r m i a c c e l e r a t i o n i s p r e d i c t e d f o r s i n g l e s h o c k w a v e s . W h e n a s h o c k w a v e ,

i . e . a s u p e r s o n i c o w o f m a t t e r , p r o p a g a t e s i n t o a p o p u l a t i o n o f p a r t i c l e s w i t h r a n d o m v e l o c i t y

d i s t r i b u t i o n a f r a c t i o n o f t h e p a r t i c l e s w i l l p a s s t h e s h o c k f r o n t . T h e d i r e c t e d o w s c a t t e r s a

f r a c t i o n o f t h e p a r t i c l e s b a c k i n f r o n t o f t h e s h o c k w i t h o n a v e r a g e i n c r e a s e d e n e r g i e s . T h e r e

e l a s t i c s c a t t e r i n g r a n d o m i z e s t h e d i r e c t i o n a g a i n , p i p i n g a f r a c t i o n o f t h e p a r t i c l e s b a c k i n t o t h e

s h o c k f r o n t a g a i n a n d t h e w h o l e p r o c e s s s t a r t s o v e r a g a i n .

S e c o n d o r d e r F e r m i a c c e l e r a t i o n o c c u r s i n t u r b u l e n t m a g n e t i c c l o u d s . I n c o n t r a s t t o t h e

i n n i t e p l a n e s h o c k f r o n t w h e r e t h e r e e c t i o n i s d i r e c t e d i n f r o n t o f t h e s h o c k t h e p a r t i c l e c a n

b e e x p e l l e d i n a n y d i r e c t i o n . T h e a v e r a g e e n e r g y g a i n t h e r e f o r e i s p r o p o r t i o n a l t o

2

.

F e r m i a c c e l e r a t i o n i s o f t e n c o m p a r e d t o a t e n n i s b a l l g a i n i n g e n e r g y f r o m t h e r e e c t i o n a t

a m o v i n g w a l l . T h e p a r t i c l e h o w e v e r i s r e e c t e d c o l l i s i o n l e s s b y a " m a g n e t i c m i r r o r " . T h e

r e e c t i o n i s d u e t o t h e m a g n e t i c e l d c h a n g i n g i n t e n s i t y y i e l d i n g a c h a n g e o f t h e p i t c h a n g l e o f

t h e g y r a t i o n . C o l l i s i o n s w o u l d i n t r o d u c e e n e r g y l o s s a n d r e d u c e t h e n e t a c c e l e r a t i o n .

I n b o t h c a s e s t h e r e i s a n i t e e s c a p e p r o b a b i l i t y d u e t o s c a t t e r i n g . T h e m e c h a n i s m c a n b e

s t o p p e d b y s e v e r a l c a u s e s l i m i t i n g t h e m a x i m u m e n e r g y . A g l o b a l l i m i t i s g i v e n b y t h e s i m p l e

r e l a t i o n E < B R : w h e n t h e g y r o r a d i u s e x c e e d s t h e d i m e n s i o n o f t h e c o n n i n g m a g n e t i c e l d

t h e p a r t i c l e w i l l e s c a p e . A n o t h e r s i m p l e l i m i t a t i o n a r e e n e r g y d e p e n d e n t e n e r g y l o s s p r o c e s s e s o r

t h e l i f e t i m e o f t h e s h o c k . A n i m p o r t a n t e x a m p l e f o r t h i s c u t o e n e r g y a r e s u p e r n o v a r e m n a n t s

t h a t w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e s e c t i o n o n p o t e n t i a l s o u r c e s .

S h o c k w a v e a c c e l e r a t i o n h a s b e e n o b s e r v e d t o w o r k i n t h e s o l a r s y s t e m . P a r t i c l e s w i t h e n e r g i e s

i n t h e M e V r a n g e , t y p i c a l f o r n u c l e a r p r o c e s s e s i n t h e s u n , w e r e o b s e r v e d t o b e a c c e l e r a t e d u p

t o G e V e n e r g i e s g i v i n g e m p i r i c a l s u p p o r t t o t h e t h e o r y o f a c c e l e r a t i o n b y p l a s m a w a v e s .


16/111

1 6

M a g n e t i c r e c o n n e c t i o n a t t h e s u r f a c e o f a c c r e t i o n d i s k s i s a l e s s c o m m o n s u g g e s t i o n f o r

t h e a c c e l e r a t i o n m e c h a n i s m b e h i n d t h e r a p i d i n t e n s i t y v a r i a t i o n o b s e r v e d i n g a m m a r a y s 7 ] .

M a g n e t i c r e c o n n e c t i o n i n t h e s u n ' s s u r f a c e c o u l d b e t h e r e a s o n f o r s o l a r a r e s . T h e s t r o n g

d i r e c t e d e l e c t r i c e l d s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s u r f a c e e j e c t h o t p l a s m a 8 ] . P r o t o n s a n d e l e c t r o n s

c a n b e a c c e l e r a t e d t o e n e r g i e s o f 1 0

2 0 ; 2 1

e V o n s h o r t e r t i m e s c a l e s t h a n i n s t o c h a s t i c a c c e l e r a t i o n .

T h e p r o t o n s p r o d u c e p i o n s a n d t h u s g a m m a r a y s a n d n e u t r i n o s . W h i l e g a m m a r a y s w i l l c a s c a d e

n e u t r i n o s w i l l e s c a p e . I n c o n t r a s t t o o t h e r m o d e l s t h i s o n e p r e d i c t s s t r o n g n e u t r i n o u x e s f o r

s o u r c e s w i t h g a m m a r a y s p e c t r a t h a t d o n o t e x t e n d t o T e V e n e r g i e s .

2 . 2 T h e P r i m a r y C o s m i c R a y S p e c t r u m

C o s m i c r a y s ( C R ) h a v e b e e n o b s e r v e d f o r t h e r s t t i m e b y V i c t o r H e s s i n 1 9 1 2 . T o d a y t h e

o b s e r v a t i o n e x t e n d s o v e r m a n y o r d e r s o f m a g n i t u d e i n e n e r g y i n v o l v i n g a v a r i e t y o f o b s e r v a t i o n

t e c h n i q u e s ( 9 ] a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ) : f r o m G e V t o 1 0 T e V t h e y a r e d e t e c t e d d i r e c t l y w i t h

s a t e l l i t e s a n d b a l l o o n b o r n d e t e c t o r s . A t h i g h e r e n e r g i e s t h e s e d e t e c t o r s a r e u x l i m i t e d . S i n g l e

a t m o s p h e r i c m u o n s p e c t r a a t s e a l e v e l a r e u s e d t o m e a s u r e t h e C R s p e c t r u m u p t o 1 0 0 T e V

e n e r g i e s . A i r s h o w e r e x p e r i m e n t s m e a s u r e C R w i t h e n e r g i e s a b o v e 2 T e V t o t h e h i g h e s t

o b s e r v e d e n e r g i e s . T h e i n t e n s i t y r a n g e s o v e r 2 0 o r d e r s o f m a g n i t u d e f r o m 1 p a r t i c l e / c m

2

s a t

e n e r g i e s o f a b o u t a G e V t o 1 p a r t i c l e / k m

2

y f o r e n e r g i e s o f a b o u t 1 0

1 0

G e V (

1 0

1 9

e V ) .

T h e e n e r g y s p e c t r u m c l o s e l y f o l l o w s a p o w e r l a w : d N / E

;

d E ( s e e g u r e 2 . 2 ) . T h e s p e c t r a l

i n d e x r e m a i n s n e a r l y c o n s t a n t o v e r t h e e n t i r e e n e r g y r a n g e l e a v i n g t w o s l i g h t c h a n g e s i n s l o p e

a s t h e o n l y f e a t u r e s o f t h e s p e c t r u m : a t a b o u t E

k n e e

1 0

1 6

e V t h e i n d e x c h a n g e s f r o m 2 . 7 t o

3 . 0 c r e a t i n g t h e s o c a l l e d k n e e . A b o v e E

a n k l e

1 0

1 8

e V i t a t t e n s a g a i n f o r m i n g t h e s o c a l l e d

a n k l e 6 ] :

d N ( E )

d E

E

;

w h e r e

8


17/111

1 7

F i g u r e 2 . 2 : P r i m a r y c o s m i c r a y s p e c t r u m ( t a k e n f r o m 1 0 ] ) .

F i n a l l y , t h e p o s i t i o n o f t h e k n e e i s c o n s i s t e n t w i t h a c u t o e n e r g y i n t h e r a n g e o f 1 0 0 T e V

d u e t o t h e l i m i t e d l i f e t i m e o f t h e s h o c k w a v e .

T h e o n l y u n c e r t a i n t y a b o u t t h e r o l e o f S N R s a s s t a n d a r d g a l a c t i c C R a c c e l e r a t o r a r i s e s f r o m

t h e m i s s i n g T e V g a m m a r a y o b s e r v a t i o n 1 1 ] a n d 1 2 ] . T h e f e w e s t a b l i s h e d T e V s o u r c e s a r e e x -

p l a i n e d b y s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n a n d i n v e r s e C o m p t o n s c a t t e r i n g f r o m r e l a t i v i s t i c e l e c t r o n s 1 3 ] .

T h e d e t e c t i o n o f n e u t r i n o s w o u l d c o n r m t h e i r r o l e a s p r o t o n a c c e l e r a t o r s .

T h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e s p e c t r a l i n d e x o b s e r v e d ( 2 . 7 ) a n d t h e o n e e x p e c t e d f r o m F e r m i

a c c e l e r a t i o n ( 2 . 1 - 2 . 3 ) i s e x p l a i n e d b y a n e n e r g y d e p e n d e n t e s c a p e p r o b a b i l i t y f r o m t h e g a l a x y :

P / E

. P a r t i c l e s w i t h h i g h e r e n e r g i e s h a v e l a r g e r g y r o r a d i i a n d t h e r e f o r e a r e m o r e l i k e l y t o

e s c a p e , r e s u l t i n g i n a s t e e p e n i n g o f t h e s p e c t r u m ( l e a k y b o x m o d e l ) . F r o m r e l a t i v e a b u n d a n c e

m e a s u r e m e n t s o f s p a l l a t i o n p r o d u c t s i n t h e g a l a x y o n e c a n d e r i v e a v a l u e f o r 0 : 6 w e l l c o n -

s i s t e n t w i t h 0 : 1 : : 0 : 3 a t t h e s o u r c e .

T h e r a n g e a b o v e t h e a n k l e i s b e l i e v e d t o b e o f e x t r a g a l a c t i c o r i g i n . T h e m a g n e t i c e l d o f


18/111

1 8

0.01

0.1

1

10

1011

1012

1013

1014

1015

1016

1017

1018

1019

1020

1021

E2.7dN/dE

(cm-2sr-

1s-1GeV1.

7)

E (eV / nucleus)

HERA

RHIC

TEVATRON LHCfixed target

JACEE[11]Akeno[12]

Tien Shan[13]MSU[14]Tibet[15]

CasaMia[16]DICE[17]

HEGRA[18]CASA-BLANCA[19]

KASCADE[20]

F i g u r e 2 . 3 : P r i m a r y c o s m i c r a y s p e c t r u m ( t a k e n f r o m 9 ] ) . T h e t w o c h a n g e s i n s l o p e b e c o m e

v i s i b l e w h e n t h e u x i s s c a l e d w i t h E

; 2 7

. F o r c o m p a r i s o n t h e e n e r g i e s r e a c h e d w i t h t e r r e s t r i a l

a c c e l e r a t o r s a r e s h o w n .

t h e g a l a x y w o u l d n o t s u c e t o c o n n e p a r t i c l e s o f t h i s e n e r g y . F u r t h e r t h e r e i s t h e o b s e r v a t i o n

o f a c h a n g e i n t h e c o m p o s i t i o n a t a b o u t 1 0

1 8

e V a n d t h e h a r d e n i n g s p e c t r u m i t s e l f i n d i c a t e s a

c h a n g e i n t h e o r i g i n 9 ] . A n o t h e r s u p p o r t f o r t h i s a s s u m p t i o n i s a n o b s e r v e d i n d i c a t i o n o f a n

a n i s o t r o p y i n t h e C R a t 1 0

1 8

e V s h o w i n g a s l i g h t ( 4 % ) b u t s i g n i c a n t e x c e s s f r o m t h e d i r e c t i o n

o f t h e g a l a c t i c c e n t e r 1 4 , 1 5 ] . T h i s a n i s o t r o p y d i s a p p e a r s f o r h i g h e r e n e r g i e s s u p p o r t i n g t h e

e x t r a g a l a c t i c o r i g i n . T h e s p e c t r u m a b o v e t h e a n k l e h a s t h e r e f o r e b e e n u s e d t o n o r m a l i z e t h e

e x p e c t e d n e u t r i n o u x e s f r o m e x t r a g a l a c t i c a c c e l e r a t i o n c a n d i d a t e s ( s e e s e c t i o n 2 . 6 ) .

W h e t h e r o r n o t S N R t u r n o u t t o b e t h e s o u r c e o f C R , s o m e w h e r e i n s p a c e n a t u r e a c c e l e r a t e s

p r o t o n s t o i n c r e d i b l y h i g h e n e r g i e s . W i t h a n a p p r o p r i a t e t a r g e t n e a r b y a p r o t o n a c c e l e r a t o r

t u r n s i n t o a n e u t r i n o s o u r c e a s w e l l .


19/111

1 9

2 . 3 N e u t r i n o P r o d u c t i o n

T h e g e n e r i c m o d e l o f n e u t r i n o p r o d u c t i o n i s a p o w e r l a w p r o t o n b e a m h i t t i n g a t a r g e t , p r o -

d u c i n g p i o n s a n d h e a v i e r m e s o n s i n l a r g e q u a n t i t i e s . T h e c h a r g e d m e s o n s d e c a y i n t o l e p t o n s

w i t h t h e e m i s s i o n o f n e u t r i n o s . T h e t y p i c a l t a r g e t s a r e a m b i e n t m a t t e r ( f o r e x a m p l e a c c r e t i o n

d i s c s o f b l a c k h o l e s ) o r d e n s e p h o t o n e l d s ( f o r e x a m p l e t h e r m a l p h o t o n s o r p h o t o n s w i t h a

p o w e r l a w s p e c t r u m f r o m e l e c t r o n s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n ) . A l o n g w i t h n e u t r i n o s f r o m c h a r g e d

p i o n s , g a m m a r a y s a r e p r o d u c e d f r o m t h e d e c a y o f n e u t r a l p i o n s :

p + ! p +

0

+ X

-

2

p + X !

0

+ Y

-

2 :

( 2 . 3 )

I n c o n t r a s t t o n e u t r i n o s , g a m m a r a y s c a n b e g e n e r a t e d b y s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n a n d i n v e r s e

C o m p t o n s c a t t e r i n g o f r e l a t i v i s t i c e l e c t r o n s a s w e l l . T h e y t h u s d o n o t p r o o v e t h e e x i s t e n c e o f

p r o t o n a c c e l e r a t i o n . N e u t r i n o s a r e e x p e c t e d f r o m b e a m d u m p s o f p r o t o n b e a m s o n l y . T h e m o s t

i m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n s c o m e f r o m p i o n s a n d k a o n s :

p + X !

+ Y

-

+

(

)

-

e

+

e

(

e

) +

(

)

p + X ! K

+ Y

-

+

(

)

-

e

+

e

(

e

) +

(

)

p + X

!K

0

L

+ Y

-

+

+

(

)

-

+ e

+

e

(

e

)

( 2 . 4 )

T h e t a r g e t s ( X ) m a y b e p h o t o n s o r h a d r o n s , t h e d e c a y p r o d u c t s ( Y ) d i e r a c c o r d i n g l y .

I n t e n s i t y a n d s p e c t r u m o f t h e n e u t r i n o b e a m a r e d e t e r m i n e d b y t h e p r o p e r t i e s o f t h e p r o t o n

b e a m a n d t h e t a r g e t p r o p e r t i e s , s u c h a s e n e r g y d i s t r i b u t i o n a n d d e n s i t y . B e s i d e s t h e p r i m a r y

s p e c t r u m i t i s t h e c o m p e t i t i o n b e t w e e n t h e d e c a y i n i g h t a n d ( i n e l a s t i c ) i n t e r a c t i o n o f t h e m e -

s o n i n t h e t a r g e t m e d i u m t h a t d e t e r m i n e s t h e s e c o n d a r y s p e c t r u m . T y p i c a l a s t r o n o m i c a l t a r g e t s

a r e d i l u t e e n o u g h t o a l l o w a l l s e c o n d a r i e s , i n c l u d i n g m u o n s , t o d e c a y i n i g h t . I n t h i s c a s e t h e


20/111

2 0

n e u t r i n o s p e c t r u m f o l l o w s t h e p r i m a r y s p e c t r u m c l o s e l y . H o w e v e r , i n d e n s e t a r g e t s a b s o r p t i o n

o f t h e m e s o n s r i s e s w i t h e n e r g y b e c a u s e o f t h e l o n g e r p a t h l e n g t h o f t h e m e s o n . T h e f r e e d e c a y

o f h i g h e r e n e r g y m e s o n s t h e r e f o r e i s s u p p r e s s e d a n d t h e s p e c t r u m s t e e p e n s .

A p p l y i n g t h e s e c o n d i t i o n s o n e c a n d i s t i n g u i s h t h r e e c l a s s e s o f n e u t r i n o s p e c t r a t y p i c a l f o r

t h e i r p r o d u c t i o n s i t e s

A t t h e a c c e l e r a t o r d i l u t e t a r g e t s a l l o w f r e e d e c a y i n i g h t , a n d t h e s p e c t r a l i n d e x f o l l o w s

t h e h a r d p r i m a r y s p e c t r u m a s i t c o m e s f r o m t h e a c c e l e r a t o r ( 2 : 1 ; 2 : 3 ) .

I n t h e g a l a x y t h e i n t e r s t e l l a r m e d i u m i s s t i l l d i l u t e e n o u g h t o a l l o w f r e e d e c a y i n i g h t .

H o w e v e r , t h e p r o t o n b e a m s p e c t r u m i s s t e e p e r d u e t o t h e e n e r g y d e p e n d e n t l e a k a g e f r o m

t h e g a l a x y . T h e n e u t r i n o s p e c t r u m f o l l o w s t h e C R s p e c t r u m i n t h e g a l a x y ( 2 : 7 ; 3 : 1 ) .

T h i s c o m p o n e n t i s a n a l o g o u s t o t h e d i u s e g a m m a r a y b a c k g r o u n d f r o m t h e g a l a c t i c d i s c .

I n t h e a t m o s p h e r e : C o m p a r e d t o i n t e r s t e l l a r t a r g e t s t h e e a r t h s a t m o s p h e r e i s r e l a t i v e l y

d e n s e . T h e c o m p e t i t i o n b e t w e e n d e c a y a n d a b s o r p t i o n s t e e p e n s t h e s p e c t r u m b y a b o u t

o n e p o w e r i n e n e r g y ( 3 : 7 ) . T h e d e t a i l s d e p e n d o n t h e e n e r g y a n d t h e p r o p e r l i f e t i m e

o f t h e i n t e r m e d i a t e m e s o n . T h e c o m b i n e d e e c t w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e n e x t s e c t i o n .

I t i s t h i s d i e r e n c e i n t h e s p e c t r u m t h a t a l l o w s t o d i s t i n g u i s h e x t r a t e r r e s t r i a l d i u s e u x e s

f r o m l o c a l l y p r o d u c e d n e u t r i n o s . T h e y c a r r y t h e h a r d e r i n i t i a l s p e c t r u m o f t h e c o s m i c r a y s a n d

s h o u l d c r e a t e a n e x c e s s u x a t h i g h e n e r g i e s . T h e t h r e e c l a s s e s a r e s h o w n i n t h e s u m m a r y p l o t

o f n e u t r i n o u x e s ( g u r e 2 . 5 ) .

2 . 4 G u a r a n t e e d N e u t r i n o S o u r c e s

G u a r a n t e e d s o u r c e s a r e i m p o r t a n t t e s t b e a m s a n d b a c k g r o u n d t o t h e d e t e c t i o n o f c a n d i d a t e

n e u t r i n o s o u r c e s a t t h e s a m e t i m e .

2 . 4 . 1 A t m o s p h e r i c N e u t r i n o s

T h e s t r o n g e s t a m o n g t h e g u a r a n t e e d s o u r c e s a r e a t m o s p h e r i c n e u t r i n o s . T h e y a r e p r o d u c e d

i n s h o w e r s i n d u c e d b y c o s m i c r a y s h i t t i n g t h e e a r t h s a t m o s p h e r e . N e u t r i n o p r o d u c t i o n i n d e n s e

m e d i a c a n b e w r i t t e n a s 1 6 ] :

d N

d E

=

N

0

( E

)

1 ; Z

N N

A

1 + B

c o s

E

+

A

K

1 + B

K

c o s

E

K

+ : : :

!

( 2 . 5 )

T h e p a r a m e t e r s A a n d B n o r m a l i z e t h e c o n t r i b u t i o n s o f t h e d i e r e n t m e s o n s a n d t h e i r z e n i t h

a n g l e d e p e n d e n c e ( = i n c i d e n t a n g l e o f t h e p r i m a r y ) . Z c h a r a c t e r i z e s t h e p r i m a r y i n t e r a c t i o n .


21/111

2 1

T h e r s t t e r m i n t h e b r a c k e t s d e s c r i b e s t h e p i o n a n d t h e s e c o n d t h e k a o n c o n t r i b u t i o n . T h e t h i r d

t e r m ( d o t s ) s t a n d s f o r h e a v i e r m e s o n s . T h e f o r m u l a s h o w s t h a t d i e r e n t c h a n n e l s c o n t r i b u t e t o

t h e t o t a l u x a n d e a c h c h a n n e l h a s i t s o w n e n e r g y a n d a n g u l a r d e p e n d e n c e .

T h e z e n i t h a n g l e d e p e n d e n c e i s c a l l e d t h e s e c a n t t h e t a e e c t a n d i s d u e t o t h e f a c t t h a t s h o w -

e r s t h a t h i t t h e a t m o s p h e r e u n d e r a l a r g e r a n g l e h a v e m o r e t i m e t o d e v e l o p i n t h e d i l u t e u p p e r

l a y e r s o f t h e a t m o s p h e r e . T h e r e f o r e m o r e p i o n s a n d k a o n s c a n d e c a y i n i g h t . S o m o r e n e u t r i n o s

a r e p r o d u c e d a t t h e h o r i z o n t h a n u n d e r v e r t i c a l i m p a c t .

T h e b a l a n c e b e t w e e n d e c a y a n d a b s o r p t i o n d e p e n d s o n t h e d e n s i t y o f t h e t a r g e t , i . e . t h e

a t m o s p h e r e , a n d t h e e n e r g y o f t h e m e s o n . T h e e n e r g y w h e r e t h e t w o p r o c e s s e s a r e e q u a l l y

l i k e l y i s c a l l e d t h e c r i t i c a l e n e r g y . I t i s s p e c i c f o r t h e t a r g e t a n d t h e m e s o n t y p e . F o r p i o n s

i t i s

= 1 1 5 G e V , f o r k a o n s

K

= 8 5 0 G e V a n d f o r c h a r m e d m e s o n s

D

= 4 1 0

7

G e V .

F a r b e l o w t h i s e n e r g y t h e m e s o n s d e c a y w i t h o u t a b s o r p t i o n a n d t h e n e u t r i n o s p e c t r u m f o l l o w s

t h e p r i m a r y s p e c t r u m . F a r a b o v e t h i s e n e r g y t h e a b s o r p t i o n p r o b a b i l i t y r i s e s w i t h e n e r g y , i . e .

r a n g e , a n d t h e s p e c t r u m s t e e p e n s b y a b o u t o n e p o w e r o f e n e r g y .

H e a v i e r m e s o n s h a v e s h o r t e r d e c a y l e n g t h s a n d t h e r e f o r e d e c a y . A b s o r p t i o n s e t s i n a t h i g h e r

e n e r g i e s . T h e r e f o r e t h e a t m o s p h e r i c n e u t r i n o u x i s d o m i n a t e d b y d i e r e n t c o m p o n e n t s a t d i e r -

e n t e n e r g i e s . T h e u x f r o m p i o n s a n d k a o n s i s c a l l e d c o n v e n t i o n a l . I t d o m i n a t e s t h e a t m o s p h e r i c

s p e c t r u m f r o m G e V t o P e V e n e r g i e s . B e c a u s e o f t h e i n s t a n t d e c a y o f t h e c h a r m e d m e s o n s t h e i r

c o n t r i b u t i o n i s c a l l e d t h e p r o m p t c o m p o n e n t . S i n c e a b s o r p t i o n i s n e g l i g i b l e i t s s p e c t r a l i n d e x

f o l l o w s t h e p r i m a r y s p e c t r u m a n d i t s z e n i t h a n g l e d e p e n d e n c e s e t s i n a t m u c h h i g h e r e n e r g i e s .

T h e a b s o l u t e n o r m a l i z a t i o n u n c e r t a i n t y f o r c o n v e n t i o n a l n e u t r i n o s a t T e V e n e r g i e s i s o f t h e o r -

d e r o f 3 0 % w h e r e a s t h e s h a p e o f t h e s p e c t r u m i s k n o w n a s p r e c i s e a s 5 % 1 7 , 1 8 ] . T h e u n c e r t a i n t y

i s m a i n l y d u e t o t h e e x t r a p o l a t i o n o f t h e c r o s s s e c t i o n s o v e r s e v e r a l o r d e r s o f m a g n i t u d e . T h e

p r o m p t n e u t r i n o u x a t P e V - e n e r g i e s i s k n o w n t o a n o r d e r o f m a g n i t u d e o n l y . T h e e n e r g y w h e r e

t h e p r o m p t c o m p o n e n t s t a r t s t o d o m i n a t e i s e x p e c t e d b e t w e e n 2 0 T e V t o 1 P e V 1 9 , 2 0 , 2 1 ] .

T h e t o t a l u x a t t h e s e e n e r g i e s i s t o o s m a l l t o b e d e t e c t e d w i t h t h e d a t a f r o m t h e A M A N D A -

B 1 0 - d e t e c t o r a n a l y z e d i n t h i s w o r k . T h e p r o m p t c o m p o n e n t h o w e v e r , i s a s e r i o u s b a c k g r o u n d

f o r l a r g e r d e t e c t o r s b e c a u s e i t s h o w s t h e s a m e s p e c t r a l i n d e x a s i s e x p e c t e d f r o m c o s m i c s o u r c e s .

T h e n a l s h a p e o f t h e s p e c t r u m i s g i v e n b y a p o w e r l a w w i t h s p e c t r a l i n d e x 2 . 7 f o r e n e r g i e s

s m a l l e r t h a n 1 0 0 G e V w h e r e i s s t e e p e n s t o 3 . 7 . S o m e w h e r e b e t w e e n 2 0 T e V a n d 1 P e V t h e

c o n t r i b u t i o n o f t h e p r o m p t c o m p o n e n t w i t h a s p e c t r a l i n d e x o f 2 . 7 i s e x p e c t e d . T h e c o m b i n e d

u x i s s h o w n i n g u r e 2 . 5 .

T h e p a r a m e t e r i z a t i o n f o r t h e c o n v e n t i o n a l a t m o s p h e r i c n e u t r i n o u x d i s c u s s e d h e r e w a s g i v e n

i n 1 6 , 6 ] . T h e M o n t e C a r l o u s e d i n t h i s a n a l y s i s , h o w e v e r , u s e s t h e p a r a m e t e r i z a t i o n g i v e n b y

L i p a r i 2 2 ] . T h e p r o m p t c o m p o n e n t i s n e g l e c t e d .


22/111

2 2

2 . 4 . 2 G a l a c t i c N e u t r i n o s

S i m i l a r t o t h e a t m o s p h e r i c n e u t r i n o s t h e r e i s a n e u t r i n o u x e x p e c t e d w h e n c o s m i c r a y s c o n t a i n e d

i n t h e g a l a x y i n t e r a c t w i t h i n t e r s t e l l a r g a s . B e c a u s e o f t h e l o w m a t t e r d e n s i t y a l l s e c o n d a r i e s

( i n c l u d i n g m u o n s ) d e c a y a n d p r o d u c e n e u t r i n o s . T h e s p e c t r u m t h e r e f o r e i s e x p e c t e d t o f o l l o w

t h e p r i m a r y s p e c t r u m w i t h = 2 : 7 . T h e e x p e c t e d u x i s s h o w n i n g u r e 2 . 5 . I t w i l l b e

d e t e c t a b l e w i t h a k m

2

e e c t i v e a r e a . F o r t h e A M A N D A - B 1 0 a n a l y s i s i t i s n e g l i g i b l e .

2 . 4 . 3 C o s m o l o g i c a l N e u t r i n o s

C o s m i c r a y s w i t h e n e r g i e s o f u p t o 1 0

2 0

e V h a v e b e e n o b s e r v e d . A t t h e s e e n e r g i e s t h e G Z K -

m e c h a n i s m 2 3 , 2 4 ] p r e d i c t s a n e n h a n c e d a b s o r p t i o n o f p r o t o n s b y t h e c o s m i c m i c r o w a v e b a c k -

g r o u n d r a d i a t i o n . T h e a b s o r p t i o n p r o c e s s s h o u l d p r o d u c e n e u t r i n o s a t v e r y h i g h e n e r g i e s . T h e

e x p e c t e d u x e s f o r u p g o i n g n e u t r i n o s a r e m u c h t o o s m a l l f o r A M A N D A - B 1 0 s i n c e t h e e a r t h i s

o p a q u e a t t h e s e e n e r g i e s . H o w e v e r , e v e n t s f r o m a n e u t r i n o w i t h t h i s e n e r g y c o u l d b e s e e n i n

t h e d o w n - g o i n g m u o n s j u s t b y i t s o u t s t a n d i n g e n e r g y . I n v e s t i g a t i o n s f o r A M A N D A a r e u n d e r -

w a y 2 5 ] .

2 . 5 P o s s i b l e N e u t r i n o S o u r c e s

T h e n a l o b j e c t o f i n t e r e s t a r e s o u r c e s t h a t a r e n o t g u a r a n t e e d b u t m i g h t b e t h e r e a n d t h a t

a r e m o r e c l o s e l y l i n k e d w i t h t h e a c c e l e r a t o r s . J u s t f o r o r i e n t a t i o n t h e s o u r c e s a r e d i v i d e d i n

g a l a c t i c a n d e x t r a g a l a c t i c .

T h e p r e d i c t i o n s f o r s i n g l e s o u r c e s a r e t o o l o w t o b e d e t e c t e d w i t h A M A N D A - B 1 0 . E v e n

w i t h k m

2

s c a l e d e t e c t o r s o n l y t h e m o s t o p t i m i s t i c m o d e l s c a n b e p r o b e d . T h e c o m b i n a t i o n

o f m a n y s i n g l e s o u r c e s , h o w e v e r , i s e x p e c t e d t o p r o d u c e a d i u s e u x d e t e c t a b l e w i t h m u c h

s m a l l e r d e t e c t o r s , w i t h a h a r d e r s p e c t r u m t h a n a t m o s p h e r i c n e u t r i n o s . T h e f o c u s o f t h i s w o r k

i s t h e r e f o r e t h e s e a r c h f o r a d i u s e e x c e s s o f n e u t r i n o s a t h i g h e n e r g i e s . E v e n t h o u g h a p o s i t i v e

d e t e c t i o n i s n o t e x p e c t e d f o r A M A N D A - B 1 0 , t h e v a r i o u s s o u r c e s s h a l l b e i n t r o d u c e d i n o r d e r

t o m o t i v a t e t h e d e v e l o p m e n t o f t h e s e a r c h t e c h n i q u e . T h e c o m b i n e d u x i s s u b j e c t t o t h e l i m i t s

d e r i v e d f r o m g a m m a r a y b a c k g r o u n d a n d c o s m i c r a y u x ( a t e n e r g i e s a b o v e t h e a n k l e ) . T h e

s o u r c e s w i l l b e i n t r o d u c e d i n t h i s s e c t i o n a n d t h e a s s o c i a t e d u x e s a n d l i m i t s i n t h e n e x t s e c t i o n .

2 . 5 . 1 G a l a c t i c S o u r c e s

E v e n t h o u g h t h e b u l k o f c o s m i c r a y s i s b e l i e v e d t o b e p r o d u c e d i n o u r g a l a x y , t h e p r e d i c t e d

n e u t r i n o u x e s a r e g e n e r a l l y v e r y s m a l l . T h e m a i n r e a s o n i s t h e n o n - o b s e r v a t i o n o f t h e T e V

g a m m a r a y u x a t a l e v e l e x p e c t e d f r o m n e u t r a l p i o n p r o d u c t i o n .


23/111

2 3

S u p e r n o v a R e m n a n t s

A s d i s c u s s e d i n s e c t i o n 2 . 2 s u p e r n o v a r e m n a n t s ( S N R s ) a r e t h e l e a d i n g c a n d i d a t e f o r C R p r o -

d u c t i o n i n o u r g a l a x y . T h e o n l y w e a k n e s s o f t h e p i c t u r e i s t h e m i s s i n g T e V g a m m a r a y s e x p e c t e d

f r o m n e u t r a l p i o n d e c a y s i n a p r o t o n a c c e l e r a t o r 1 1 ] a n d 1 2 ] . P o s i t i v e o b s e r v a t i o n s a s f o r t h e

C r a b N e b u l a , S N R 1 0 0 6 a n d C a s s i o p e i a A c a n b e e x p l a i n e d w i t h i n v e r s e C o m p t o n s c a t t e r i n g o f

s y n c h r o t r o n p h o t o n s f r o m t h e r e l a t i v i s t i c e l e c t r o n - p o s i t r o n p l a s m a . E v e n t h e o p t i m i s t i c t s t o

t h e C a s s i o p e i a A o b s e r v a t i o n 2 6 ] y i e l d u x e s a t t h e s c a l e d e t e c t a b l e w i t h k m

2

c l a s s d e t e c t o r s

o n l y .

Y o u n g S N R s c o u l d f o r m a d o u b l e s h o c k f r o n t s t r u c t u r e t h a t c o u l d a c c e l e r a t e p r o t o n s 2 7 ] .

H o w e v e r , t h e d e c a y t i m e o f t h e d o u b l e s h o c k f r o n t i s b e t w e e n 1 a n d 1 0 y e a r s , l i m i t i n g t h e

n u m b e r s o f s o u r c e c a n d i d a t e s . B e s i d e s t h a t n o i n d i c a t i o n f o r t h i s s c e n a r i o w a s o b s e r v e d f r o m

S N 1 9 8 7 A .

S u g g e s t i o n s t o s o l v e t h e p r o b l e m o f m i s s i n g T e V g a m m a r a y s f r o m S N R s a r e d i s c u s s e d : f o r

e x a m p l e t h e p r i m a r y s p e c t r u m a t t h e a c c e l e r a t i o n s i t e m a y b e s t e e p e r . T o g e t h e r w i t h a s m a l l e r

e n e r g y d e p e n d e n c e o f t h e l e a k a g e f r o m t h e g a l a x y t h a t w o u l d b e c o n s i s t e n t w i t h t h e o b s e r v e d

C R s p e c t r u m a n d r e s u l t i n a s t e e p e r - r a y s p e c t r u m , i . e . a l o w e r - r a y u x a t h i g h e n e r g i e s .

A n o t h e r p o s s i b i l i t y i s a s e l e c t i o n e e c t o f t h e o b s e r v a t i o n . I f t h e o b s e r v e d S N R s a r e y o u n g e r

t h a n a v e r a g e a n d t h e s p e c t r a o f y o u n g S N R s a r e s t e e p e r t h a n a v e r a g e , f o r e x a m p l e d u e t o t h e

l i m i t e d l i f e t i m e , t h e r e w o u l d b e n o T e V - r a y s y e t b u t s t i l l S N R s c o u l d b e t h e s o u r c e o f t h e

g a l a c t i c C R .

P u l s a r s

P u l s a r s a r e r a p i d l y s p i n n i n g n e u t r o n s t a r s w i t h e x t r e m e l y h i g h m a g n e t i c e l d s ( P

n s

1 m s ,

B 1 0

1 2

G ) . T h e r e s u l t i n g s t a t i c e l e c t r i c e l d c o u l d a c c e l e r a t e i r o n n u c l e i r i p p e d f r o m o n e

p o l e o f t h e s t a r t o u p t o 1 0

1 8

e V 3 , 2 8 ] . A n o t h e r p o s s i b i l i t y f o r p r o t o n a c c e l e r a t i o n c o u l d b e

a s h o c k w a v e o f e l e c t r o n s a n d p o s i t r o n s d r i v e n b y t h e m a g n e t i c d i p o l e r a d i a t i o n o f t h e p u l s a r .

B u t s t i l l p u l s a r s a r e g e n e r a l l y n o t b e l i e v e d t o b e s t r o n g C R a c c e l e r a t o r s b e c a u s e t h e p r o t o n s

w o u l d s u e r a d i a b a t i c l o s s e s i n t h e t u r b u l e n t m a g n e t i c e l d a n d e n s e o u t e r b e l t o f e l e c t r o n s ,

p o s i t r o n s a n d s y n c h r o t r o n p h o t o n s ( p l e r i o n ) . A m o d e l s u g g e s t e d f o r t h e p u l s a r i n s i d e t h e C r a b

n e b u l a b y P r o t h e r o e a n d B e d n a r e k 2 9 ] c i r c u m v e n t s t h e s e l o s s e s b y i n t e r m e d i a t e n e u t r o n s t h a t

a r e p r o d u c e d b y p a n d " t u n n e l " t h e p l e r i o n . T h e y t h e n i n t e r a c t i n e l a s t i c a l l y o r d e c a y i n t h e

o u t e r S N s h e l l u n d e r p r o d u c t i o n o f n e u t r i n o s .

X - r a y B i n a r i e s a n d M i c r o Q u a s a r s

A n o t h e r p o s s i b l e c a n d i d a t e f o r d e t e c t a b l e n e u t r i n o u x e s a r e X - r a y b i n a r i e s . T h e y c o n s i s t o f

a b l a c k h o l e o r n e u t r o n s t a r w i t h a c o m p a n i o n . T h e r s t c a n a c c r e t e m a t t e r f r o m t h e l a t t e r

f o r m i n g a n a c c r e t i o n d i s k a n d j e t s v e r y s i m i l a r t o a c t i v e g a l a c t i c n u c l e i ( s e e s e c t i o n 2 . 5 . 2 ) ,

j u s t w i t h a b o u t e i g h t o r d e r s o f m a g n i t u d e l e s s m a s s . T h e y t h e r e f o r e a r e a l s o r e f e r r e d t o a s

" m i c r o q u a s a r s " i . e . m i n i A G N . A c c e l e r a t i o n m a y t a k e p l a c e a s f o r A G N a n d t h e y m i g h t s h o w

e l e c t r o s t a t i c a n d d i p o l e a c c e l e r a t i o n a s d i s c u s s e d f o r p u l s a r s . T h e m o d e l w a s m o t i v a t e d b y a

h i g h u x m e a s u r e m e n t o f C y g n u s X 3 3 0 ] . T h e u x w a s c o r r e c t e d o n e o r d e r o f m a g n i t u d e d o w n .

T o g e t h e r w i t h r e v i s e d c a l c u l a t i o n s t h e n e u t r i n o u x e s a r e b e l o w d e t e c t i o n l e v e l 1 ] .


24/111

2 4

2 . 5 . 2 E x t r a g a l a c t i c N e u t r i n o S o u r c e s

A c t i v e G a l a c t i c N u c l e i ( A G N s )

T h e m o s t p r o m i s i n g e x t r a g a l a c t i c n e u t r i n o c a n d i d a t e s a r e a c t i v e g a l a c t i c n u c l e i ( A G N ) . T h e y

a r e t h e m o s t p o w e r f u l s i n g l e o b j e c t s o b s e r v e d i n t h e c o s m o s , a s b r i g h t a s a n e n t i r e g a l a x y b u t

e x t r e m e l y c o m p a c t : A v a r i a b i l i t y o f u x d o u b l i n g w i t h i n d a y s i s c o m m o n a n d a u x i n c r e a s e o f

a n o r d e r o f m a g n i t u d e w i t h i n h o u r s h a s b e e n o b s e r v e d 1 3 , 3 1 ] . T h i s d e g r e e o f v a r i a b i l i t y l i m i t s

t h e s i z e o f t h e e m i s s i o n r e g i o n t o a v o l u m e o f t h e s i z e o f t h e s o l a r s y s t e m . T h e s p e c t r u m r a n g e s

f r o m r a d i o t o T e V g a m m a r a y s , w i t h a p r o m i n e n t t h e r m a l l u m i n o s i t y p e a k i n t h e u l t r a v i o l e t

( p e a k a t 4 0 e V ) c a l l e d t h e b l u e b u m p . T h e s h a p e c o r r e s p o n d s t o a b l a c k b o d y w i t h s u r f a c e

t e m p e r a t u r e o f 1 0

5

K .

T h e s m a l l s i z e a n d t h e h i g h l u m i n o s i t y s u p p o r t t h e p i c t u r e o f g r a v i t a t i o n a l p o w e r r e l e a s e d

b y a c c r e t i o n . T h e u n i e d A G N m o d e l t h e r e f o r e i n v o l v e s a s u p e r - m a s s i v e b l a c k h o l e ( 1 0

8

s o l a r

m a s s e s ) a c c r e t i n g m a t t e r f r o m t h e h o s t g a l a x y . T h e r e l e a s e d e n e r g y o f t h e i n f a l l i n g m a t t e r

h e a t s t h e i n n e r p a r t o f t h e a c c r e t i o n d i s k r e s u l t i n g i n t h e s t r o n g t h e r m a l e m i s s i o n . A l o n g t h e

r o t a t i o n a x i s o f t h e d i s k m a t t e r i s e j e c t e d i n s o c a l l e d j e t s ( s e e g u r e 2 . 4 ) . I n t h e s e j e t s a n d

i n t h e a c c r e t i o n d i s k c l o s e t o t h e b l a c k h o l e s h o c k w a v e s c a n f o r m a n d a c c e l e r a t e p a r t i c l e s . I n

t h e c a s e o f e l e c t r o n a c c e l e r a t i o n t h e g a m m a r a y s a r e e x p l a i n e d b y s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n a n d

i n v e r s e C o m p t o n s c a t t e r i n g o f t h e s y n c h r o t r o n p h o t o n s . I n t h e c a s e o f p r o t o n a c c e l e r a t i o n t h e y

a r e d u e t o p r i m a r y g a m m a s f r o m r e s o n a n t n e u t r a l p i o n p r o d u c t i o n ( p ! ! p

0

! p 2 )

a n d s e c o n d a r y e l e c t r o n - p o s i t r o n p a i r c a s c a d e s i n t h e d e n s e p h o t o n e l d o f t h e s h o c k . H o w e v e r ,

i f A G N a c c e l e r a t e p r o t o n s a l o n g w i t h t h e e l e c t r o n s t h e y a r e g o o d c a n d i d a t e s t o b e t h e s o u r c e

o f t h e h i g h e n e r g y c o s m i c r a y s o b s e r v e d u p t o e n e r g i e s o f 1 0

2 0

e V . A n d i f t h e r e a r e h i g h e n e r g y

p r o t o n s t h e y w i l l p r o d u c e c h a r g e d p i o n s a s w e l l ( p ! ! n

+

) a n d t h u s n e u t r i n o s ( s e e

f o r m u l a 2 . 4 ) .

A c c o r d i n g t o t h e p o s s i b l e l o c a t i o n s o f s h o c k s t w o c l a s s e s o f m o d e l s f o r n e u t r i n o p r o d u c t i o n i n

A G N a r e d i s t i n g u i s h e d : c o r e m o d e l s a n d j e t m o d e l s .

C o r e m o d e l s ( s p h e r i c a l a c c r e t i o n m o d e l s ) d e v e l o p e d i n t h e e a r l y n i n e t i e s p r e d i c t e d r e l a t i v e l y

h i g h n e u t r i n o u x e s 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 ] o f u p t o 4 1 0

; 5

E

; 2

c m

; 2

s

; 1

s r

; 1

G e V b e t w e e n 1 a n d

1 0 0 T e V 3 5 ] . G e n e r i c c o r e m o d e l s c o n s i s t o f a b l a c k h o l e w i t h s p h e r i c a l a c c r e t i o n a t t h e

E d d i n g t o n l i m i t w h e r e r a d i a t i o n p r e s s u r e a n d g r a v i t a t i o n a l p r e s s u r e o f i n f a l l i n g m a t t e r a r e i n

b a l a n c e . T h e w e a k n e s s o f g e n e r i c c o r e m o d e l s i s a c o n t r a d i c t i o n o f t h e p r e d i c t e d X - r a y s t o

o b s e r v a t i o n . B e c a u s e o f t h e i n t e n s e U V e l d t h e a c c e l e r a t i o n r e g i o n i s o p t i c a l l y t h i c k t o t h e

g a m m a r a y s f r o m r e s o n a n t n e u t r a l p i o n p r o d u c t i o n . T h e h i g h e n e r g y g a m m a s w o u l d c r e a t e

e

- p a i r c a s c a d e s . A t e n e r g i e s b e l o w p a i r p r o d u c t i o n t h r e s h o l d t h e c o r e g e t s t r a n s p a r e n t a n d t h e

p h o t o n s e s c a p e . T h e r e s u l t w o u l d b e a n o n - t h e r m a l X - r a y s p e c t r u m b e l o w t h e p a i r p r o d u c t i o n

t h r e s h o l d o f a b o u t 5 0 0 k e V . T h i s c o n t r a d i c t s t h e o b s e r v a t i o n o f a t h e r m a l X - r a y s p e c t r u m w i t h

p e a k i n t e n s i t y a t a b o u t 1 0 0 k e V . E x t e n s i o n s t o t h e g e n e r i c m o d e l s h a v e b e e n p r o p o s e d b u t

n a t u r a l s o l u t i o n i s t h e s h i f t o f t h e a c c e l e r a t i o n s i t e s f r o m t h e i n n e r e n g i n e t o t h e j e t s .


25/111

2 5

Jet

blackhole

accretion disk

wind

-ray

~102

pc

~ 10

F i g u r e 2 . 4 : T h e b l u e p r i n t o f a n a c t i v e g a l a c t i c n u c l e u s ( A G N ) ( t a k e n f r o m 3 2 ] ) .

J e t m o d e l s : M o r e r e c e n t m o d e l s c o n c e n t r a t e o n s h o c k a c c e l e r a t i o n i n t h e j e t s . T h e r e i s a l a r g e

v a r i e t y o f c o m b i n a t i o n s o f p r i m a r i e s , t a r g e t , s h o c k l o c a t i o n a l o n g t h e j e t , a n d j e t t e m p e r a t u r e :

T h e r e a r e r e l a t i v i s t i c j e t s w i t h c o h e r e n t m a t t e r o u t o w a s o p p o s e d t o r e l a t i v e l y s l o w m a t t e r

o w t h a t i s a c c e l e r a t e d b y r e l a t i v i s t i c s h o c k s r u n n i n g t h r o u g h t h e j e t m a t t e r ( h o t / c o l d b e a m s ) .

A s t a r g e t t h e r m a l p h o t o n s c l o s e t o t h e a c c r e t i o n d i s k , s y n c h r o t r o n p h o t o n s f u r t h e r d o w n t h e

j e t o r p r o t o n s a r e d i s c u s s e d . F i n a l l y , o n e p a r t o f t h e m o d e l s a s s u m e a P o y n t i n g u x d r i v e n

e l e c t r o n - p o s i t r o n w i n d o f t h e e n v e l o p e o f t h e b l a c k h o l e o r a h y d r o d y n a m i c o w o f e l e c t r o n

p r o t o n p l a s m a f r o m t h e r e l a t i v i s t i c i n n e r a c c r e t i o n d i s k .

A r e c e n t r e v i e w ( 3 7 ] a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ) i s b a s e d o n t h e d i s c u s s i o n o f o b s e r v e d p r o p e r t i e s

s u c h a s

t h e f r a c t i o n o f b l a z a r s a m o n g g a m m a r a y s o u r c e s

t h e r a t i o o f g a m m a r a y t o r a d i o l u m i n o s i t y

t h e s p e c t r u m f e a t u r e s a s b r e a k s

t h e c u t o a t T e V e n e r g i e s

t h e v a r i a b i l i t y o f t h e l u m i n o s i t y .

I t c o m e s t o t h e c o n c l u s i o n t h a t o n l y t h e h a d r o n i c m o d e l s c a n e x p l a i n a l l p h e n o m e n a . E s p e -

c i a l l y t h e o b s e r v a t i o n o f T e V g a m m a s i s h a r d t o e x p l a i n w i t h e l e c t r o n - o n l y m o d e l s . E l e c t r o n s


26/111

2 6

a r e e c i e n t l y c o o l e d b y s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n . A m a g n e t i c e l d l o w e n o u g h t o t t h e r a t i o o f

t h e l o w e n e r g y ( r a d i o t o s o f t X - r a y ) i n t e n s i t y t o t h e T e V i n t e n s i t y c o n t r a d i c t s e s t i m a t e s f r o m

t h e s i z e o f t h e e m i s s i o n r e g i o n . A n o t h e r a d v a n t a g e o f p r o t o n m o d e l s i s t h e e c i e n t t r a n s f e r o f

e n e r g y i n t h e p r e s e n c e o f m a g n e t i c e l d s f r o m t h e c e n t r a l e n g i n e t o t h e o u t e r d i s k .

A s p e c i a l s u b - c l a s s o f A G N ( 1 0 % ) a r e b l a z a r s : T h e s e a r e A G N w i t h a j e t p o i n t i n g t o w a r d s

t h e e a r t h , b e a m i n g a l a r g e f r a c t i o n o f t h e i r l u m i n o s i t y . P r o m i n e n t e x a m p l e s a r e t h e n e a r b y

s o u r c e s M r k - 5 0 1 a n d M r k - 4 2 1 . B o t h h a v e b e e n o b s e r v e d a s r a d i o l o u d a n d u p t o T e V g a m m a

e n e r g i e s b u t a r e r e l a t i v e l y w e a k e m i t t e r s . T h e o b s e r v a t i o n a t T e V e n e r g i e s c o n s t r a i n s t h e a c c e l -

e r a t i o n r e g i o n s t o b e L o r e n t z b o o s t e d b y ; 1 0 . A s o u r c e w i t h t h e s a m e m o r p h o l o g y b u t ; 1

w o u l d b e o p a q u e t o g a m m a r a y s a n d p r o t o n s t h a t a r e b o t h t r a p p e d b y t h e i n t e n s e p h o t o n e l d :

i t w o u l d b e - t r a n s p a r e n t f o r n e u t r i n o s o n l y - a h i d d e n s o u r c e . O t h e r e x a m p l e s s u c h a s 3 C - 2 7 3

a n d 3 C - 2 7 9 a r e f u r t h e r a w a y b u t s t r o n g e r s o u r c e s . A t o f b l a z a r m o d e l s t o t h e o b s e r v e d C R

s p e c t r u m i s i n t r o d u c e d i n 3 8 ] . T h e a s s o c i a t e d n e u t r i n o u x e s f o r t h r e e d i e r e n t a s s u m p t i o n s o f

t h e c o r r e s p o n d i n g c o s m i c r a y p r o d u c t i o n a r e s h o w n i n g u r e 2 . 5 .

R e l a t i v e m e r i t s o f p r o t o n a n d e l e c t r o n a c c e l e r a t i o n a r e a m a t t e r o f d e b a t e - a d e t e c t i o n o f

n e u t r i n o s w o u l d s e t t l e t h e i s s u e . I f b l a z a r s a r e t h e s o u r c e o f U H E C R , t h e y m o s t l i k e l y w o u l d

r e s o n a n t l y p h o t o p r o d u c e p i o n s w i t h t h e i n t e n s e p h o t o n e l d a t t h e s o u r c e . I n t h i s c a s e t h e y

w o u l d b e v i s i b l e i n t h e n e u t r i n o s k y .

G a m m a R a y B u r s t s ( G R B s )

G a m m a r a y b u r s t s a r e o f t e n r e f e r r e d t o a s t h e m o s t c a t a c l y s m i c e v e n t s o b s e r v e d i n t h e c o s m o s .

T h e d i s c o v e r y t h a t t h e e n e r g y r e l e a s e d b y G R B s i s j u s t a b o u t t h e s a m e a s n e e d e d f o r t h e h i g h e s t

e n e r g y C R h a s l e a d t o t h e s p e c u l a t i o n t h a t G R B s c o u l d b e t h e s o u r c e o f U H E C R 3 9 ] .

T h e s i g n a t u r e a r e g a m m a r a y a r e s ( k e V t o M e V ) t h a t l a s t b e t w e e n m i l l i s e c o n d s a n d a f e w

s e c o n d s . T h e t y p i c a l t i m e s t r u c t u r e i s a r i s e t i m e a s s h o r t a s 1 0

; 4

s f o l l o w e d b y a n e x p o n e n t i a l

d e c a y . T h e y a r e r a n d o m l y d i s t r i b u t e d . O n l y r e c e n t l y o p t i c a l c o u n t e r p a r t s h a v e b e e n i d e n t i e d .

T h e p o w e r i n g p r o c e s s i s w i d e l y u n k n o w n g i v i n g r o o m t o s p e c u l a t i o n s . T h e s h o r t r i s e t i m e s l i m i t

t h e e x t e n s i o n o f t h e c e n t r a l o b j e c t t o t e n s o f k i l o m e t e r s . T h i s l e a d s t o t h e a s s u m p t i o n t h a t

n e u t r o n s t a r s a r e i n v o l v e d . T h e f u s i o n o f n e u t r o n s t a

Matthias J. Leuthold- Search for Cosmic High Energy Neutrinos with the AMANDA-B10 Detector

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