Astrophysical neutrinos

Vitagliano, Edoardo (2019): Astrophysical neutrinos: signal and background in searches for fundamental physics. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

As the experimental boundaries of the energy and intensity frontiers are pushed forwards, astroparticle physics increasingly becomes a key tool to understand the microscopic and macroscopic mechanisms governing our universe. In this thesis particle physics beyond the Standard Model is explored, especially dark matter and neutrino properties, through the use of astrophysical neutrinos and other messengers. The combined use of neutrinos and photons, as well as cosmic rays and gravitational waves, is at the core of multi-messenger astronomy, a young and rapidly developing field which promises to reshape our understanding of the universe at hugely different energy scales. Neutrinos are of particular interest as they play the double role of possible signal and background. In the first part of the thesis, I present a new analysis of what we will call the “grand unified neutrino spectrum” (GUNS) at Earth, the flux of neutrinos coming from many different sources, both at low and high energies. After a short review of the contributions to the grand unified neutrino spectrum, we will turn to a previously overlooked flux, the low-energy component of neutrinos produced in the Sun by thermal processes, which fills the gap between the cosmic neutrino background and the solar neutrino flux from nuclear reactions. The second part of the thesis is dedicated to the search for physics beyond the Standard Model. First, I will show how solar neutrino observations can be used to constrain neutrino decay to light pseudoscalars, particularly taking advantage of antineutrino searches from the Sun tackled by KamLAND, SNO and Borexino. Finally, I will scrutinize hints for a dark matter signal in the context of multi-messenger, multi-wavelength astronomy, as the decay of axionlike particles with eV mass enhances the infrared cosmic background radiation (as detected by the sounding rocket CIBER), explaining at the same time an existing tension between the observations of Fermi and IceCube, namely that we observe less gamma rays than expected from the measured high-energy neutrino flux.

Abstract

Waehrend die experimentellen Grenzen von Energie und Intensitaet stetig hinausgeschoben werden, entwickelt sich die Astroteilchenphysik immer staerker als Schluessel zum Verstaendnis der mikroskopischen und makroskopischen Mechanismen, die unser Universum bestimmen. In dieser Dissertation wird die Teilchenphysik jenseits des Standardmodells untersucht, insbesondere dunkle Materie und Neutrinoeigenschaften, durch die Benuetzung astrophysikalischer Neutrinos und anderer Botenteilchen. Die gleichzeitige Betrachtung von Neutrinos und Photonen, zusammen mit kosmischer Strahlung und Gravitationswellen, bildet den Kern der Multi-Messenger Astronomie, einem jungen und sich rasch entwickelnden Gebiet, das verspricht, unser Verstaendnis des Universums auf voellig verschiedenen Energieskalen neu zu formen. Gerade Neutrinos sind besonders interessant, da sie sowohl Hintergrund als auch Signal sein koennen. In dem ersten Teil der Arbeit praesentiere ich eine neue Analyse des “grossen vereinheitlichten Neutrinospektrums” (Grand Unified Neutrino Spectrum), womit der irdische Neutrinofluss gemeint ist, der aus unterschiedlichen Quellen ein breites Energiespektrum umfasst. Nach einer kurzen Uebersicht ueber die Beitraege zu diesem vereinheitlichten Neutrinospektrum wenden wir uns einem zuvor nicht beachteten Fluss zu, den niederenergetischen Neutrinos aus thermischen Prozessen in der Sonne. Dieser Fluss schliesst die Luecke zwischen dem kosmischen Neutrinohintergrund und dem solaren Neutrinofluss aus Kernfusionen. Der zweite Teil widmet sich der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Zunaechst zeigen wir, wie sich aus Sonnenneutrino-Messungen eine obere Schranke an den Neutrinozerfall in leichte Pseudoskalare herleiten laesst, wobei die Suche nach solaren Antineutrinos durch KamLAND, SNO und Borexino besonders nuetzlich ist. Schliesslich untersuche ich Andeutungen eines Signals der dunklen Materie im Kontext der Multi-Messenger Astronomie bei unterschiedlichen Wellenlaengen. Diese Anzeichen stammen von einer erhoehten kosmischen Hintergrundstrahlung im Infrarotspektrum (gemessen von der Sonde CIBER), die mittels des Zerfalls axionartiger Teilchen mit einer eV-Masse erklaert werden kann. Gleichzeitig wuerde damit eine Diskrepanz zwischen Fermi und IceCube Messungen erklaert, naemlich dass weniger Gammastrahlung beobachtet wird, als man aus dem gemessenen Neutrinofluss erwarten wuerde.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Raffelt, Georg