Searches for cosmic neutrino sources with ANTARES, KM3NeT and IceCube and time calibration of ANTARES

Resumen

La astronomía con neutrinos de alta energía es una disciplina relativamente joven. Nació de la necesidad de extender la astronomía convencional más allá de los mensajeros electromagnéticos habituales para intentar responder la cuestión pendiente del origen de los rayos cósmicos de alta energía. Recientemente, el único telescopio de neutrinos del tamaño de un kilómetro cúbico actualmente en funcionamiento, IceCube, comunicó la primera observación significativa de un flujo difuso de neutrinos de alta energía de origen astrofísico junto con la primera asociación convincente de neutrinos astrofísicos con una fuente cósmica individual, abriendo una nueva era para la astronomía de neutrinos de alta energía. ANTARES, siendo actualmente el más grande telescopio de neutrinos submarino, ubicado en el hemisferio norte, provisto de una excelente visibilidad del Plano Galáctico, y con una muy buena resolución angular, es una herramienta muy eficiente para el estudio de fuentes puntuales de neutrinos cósmicos. Gracias a estas características, ANTARES ha podido poner límites relevantes sobre el origen del flujo astrofísico de neutrinos reportado por IceCube, en particular sobre una posible contribución galáctica. La calidad de los datos de ANTARES y la competitividad de los resultados obtenidos ha sido posible gracias a considerables esfuerzos en el desarrollo y mantenimiento del telescopio, incluida la calibración temporal del detector, que es un factor crucial para la resolución angular del instrumento. La experiencia adquirida con ANTARES jugará un papel importante en el desarrollo de la red de telescopios de neutrinos, KM3NeT. Desplegado en dos sitios en el mar Mediterráneo, KM3NeT explorará el cielo del sur con una sensibilidad y resolución angular sin precedentes. Se espera que detectará el flujo de neutrinos reportado por IceCube dentro de unos pocos meses de operación y que podrá hacer declaraciones definitivas sobre el flujo de neutrinos de varios candidatos galácticos. La calibración temporal del detector ANTARES y la búsqueda de fuentes de neutrinos cósmicos con los detectores ANTARES, KM3NeT y IceCube han sido los dos temas principales abordados en esta Tesis. Para lograr una resolución angular mejor que 0.3 grados en ANTARES para eventos de tipo traza con energías superiores a 10 TeV, se necesita una precisión de 1 ns en la calibración temporal relativa entre fotomultiplicadores. La calibración temporal del detector ANTARES se ha realizado para dos años (2017 y 2018) del período de toma de datos utilizando un método desarrollado recientemente. El nuevo procedimiento combina varios pasos y diferentes fuentes de calibración natural, tales como eventos de muones atmosféricos y eventos que provienen de la desintegración radiactiva del K40 presente en el agua de mar. Se han realizado cuatro búsquedas diferentes de fuentes astrofísicas de neutrinos. El primer análisis es una actualización de la búsqueda de fuentes puntuales estándar de ANTARES utilizando 11 años de datos. En el segundo análisis se ha explotado la complementariedad de los telescopios ANTARES y IceCube combinando los datos de ambos detectores para buscar fuentes de neutrinos cósmicos en el cielo Sur, mejorando la sensibilidad en comparación con los análisis individuales. En el tercer análisis, se ha realizado una búsqueda de correlaciones de tiempo y espacio entre los datos de ANTARES y los candidatos de neutrinos astrofísicos de alta energía detectados por IceCube, para probar un posible origen transitorio de los eventos de IceCube. Además, un resultado adicional de esta Tesis ha sido la primera estimación de la sensibilidad a las fuentes puntuales de la Fase 1 de KM3NeT/ARCA.