Time calibration and search for cosmic sources of high energy neutrinos with the ANTARES neutrino telescope

Resumen

La astronomía de neutrinos busca abrir una nueva ventana en la exploración del universo utilizando neutrinos como mensajeros cósmicos. La detección de una fuente astrofísica de neutrinos de alta energía proporcionaría valiosa información sobre el origen de los rayos cósmicos y demostraría inequívocamente la existencia de los llamados mecanismos de aceleración hadrónica. ANTARES es el primer telescopio de neutrinos submarino en funcionamiento del mundo. Dicho instrumento está dotado de 885 tubos fotomultiplicadores que, distribuidos en 12 líneas de 450 m de longitud y ancladas al fondo marino a una profundidad de 2475 m, son capaces de registrar la luz Cherenkov inducida por el paso de un muón originado en la interacción de un neutrino de alta energía en las inmediaciones del detector. La presente tesis de investigación ha tenido como principales objetivos la calibración temporal del detector y la búsqueda de fuentes cósmicas de neutrinos. En cuanto a la calibración temporal, se implementó un nuevo método que, basado en el estudio de los residuos temporales de las trazas de muones atmosféricos descendentes (registrados en ANTARES a un ritmo de varios Hz), no requiere de la paralización de la toma de datos de física al contrario que otros sistemas desarrollados con el mismo objetivo. Dicho método se aplicó con éxito para determinar los desfases temporales entre las líneas del detector. Una vez corregidos estos desfases se observó un aumento en el número de eventos mejor reconstruidos y una mejora en el acuerdo entre datos y simulaciones de Monte Carlo al comparar las distribuciones del parámetro de calidad de la reconstrucción. Basándonos en las misma simulaciones, se determinó que la corrección de los desfases temporales entre líneas se traduce en una mejora del ~40% en la resolución angular del telescopio. Así mismo, el método de los residuos temporales de muones nos permitió validar al nivel del nanosegundo la calibración realizada de manera completamente independiente con un sistema de balizas ópticas. En cuanto a la búsqueda de fuentes cósmicas de neutrinos, se estudiaron los datos recogidos en 4 años de funcionamiento del telescopio ANTARES. La muestra final se seleccionó a partir de un análisis ciego con el fin de evitar sesgos. Esta muestra contenía 3058 eventos candidatos a neutrinos cósmicos. La presencia de una señal en la muestra se determinó aplicando un test de likelihood ratio y dos algoritmos de clustering diferentes. En esta búsqueda se incorporó (por primera vez en ANTARES) la información de la energía de los eventos y la estimación de su error angular, mejorándose la sensibilidad de la misma en un factor ~2.7 respecto al análisis anteriormente publicado. Los resultados de la búsqueda resultaron ser compatibles con el fondo y, por tanto, se calcularon límites al flujo de neutrinos para una lista de 51 fuentes astrofísicas candidatas. Dichos límites incluían algunos de los valores más restrictivos al flujo para fuentes en el hemisferio sur celeste. También se pudieron constreñir en un factor <10 veces superior las predicciones de dos modelos de emisión para un pulsar y una supernova que tenían en cuenta los datos de su morfología proporcionados por un observatorio de rayos gamma. Por último, se calcularon límites al flujo de neutrinos para 11 lentes gravitacionales.