Design and Development of an Acoustic Calibrator for Deep-Sea Neutrino Telescopes and First Search for Secluded Dark Matter with ANTARES

Abstract

[EN] Neutrino astronomy is a booming field in astroparticle physics. Due to the particular characteristics of neutrinos, these particles offer great advantages as probes for the study of the far and high-energy Universe. It is extensively accepted by the scientific community that a multi-messenger approach with the combination of information provided by neutrinos, photons and charged particles (cosmic rays) is possible to obtain a more complete image of the fundamental astrophysics processes taking place in our Universe. Since neutrinos are neutral and very weak interacting particles they can reach the Earth from astrophysical sources without deflection by magnetic fields and almost without energy losses and absorption, contrarily to the rest of messengers. The other side of the coin of neutrino properties is that detection of neutrinos is very challenging and big highly instrumented detection volumes are needed. Natural media (deep sea, lakes or ice in the Antarctica) host this kind of experiments using the water (or ice) as target material where the neutrino interaction is produced. ANTARES is the first undersea neutrino telescope, located at 2475 m depth in the Mediterranean Sea. ANTARES is optimized for optical detection of the Cerenkov light induced by relativistic muons produced by high energy neutrino interactions near the detector. The charge, position and arrival time of the photons to the optical modules which compose the detector allows the muon track reconstruction, and thus, knowing the neutrino coming direction. Some information of the event energy is also derived. ANTARES is also hosting the AMADEUS experiment which is investigating the feasibility of the acoustic detection of Ultra-High Energy (UHE) neutrinos. The framework of this thesis is the ANTARES experiment. As commonly done in the thesis developed in this experiment (and in this field), the work has been divided in two different areas. On the one hand, a part more devoted to technological aspects related to the detector and, on the other hand, a part dedicated to ANTARES data analysis. The first part of the thesis is focused in the development of a calibrator able to reproduce the acoustic signal generated in the UHE neutrino interaction with a water nucleus which, roughly speaking, generates a highly directive bipolar acoustic pulse. Having a good calibrator is crucial to test and tune the telescope response for this kind of signals. The second part of the thesis, the data analysis part, is centred in the analysis of the ANTARES data in order to constrain possible Dark Matter models. This work is focused on the detection of products resulting of the Dark Matter annihilation trapped in the centre of the Sun. Specifically, the Secluded Dark Matter (SDM) model has been tested by the detection of di-muons (co-linear muon pair) and/or neutrinos coming from Sun direction. Broadly speaking, this model is based on the idea of the existence of a mediator resulting of the Dark Matter annihilation which, subsequently, would decay into standard model particles as muons or neutrinos. These models have been proposed in order to explain some experimental "anomalies" observed, such as the electron-positron ratio spectrum detected in satellites, measured recently with high accuracy by AMS-II. The study of this thesis constitutes the first search of experimental evidences of this kind of models in neutrino telescopes.

[ES] La astronomía de neutrinos es un campo en auge dentro de la Física de Astropartículas. Los neutrinos ofrecen grandes ventajas como sondas para estudiar el Universo lejano y de alta energía. Es extensamente aceptado que mediante la combinación de la información que proporcionan los neutrinos junto a la obtenida mediante fotones de alta energía (rayos gamma) y partículas cargadas (rayos cósmicos) se podría obtener una imagen más completa de los procesos astrofísicos fundamentales que tienen lugar a lo largo de nuestro Universo.La razón fundamental por la que los neutrinos son tan altamente valorados como mensajeros es la baja interacción con el medio que los rodea. Al ser partículas sin carga interactúan muy débilmente con la materia, por ello pueden escaparse de la fuente donde se han producido y, al contrario de lo que ocurre con el resto de mensajeros, pueden llegar a la Tierra sin ser desviados por los campo magnéticos y sin prácticamente pérdida de energía. Esta misma razón que los hace tan valorados es a su vez la que los hace tan difíciles de detectar. Se impone la necesidad de construir detectores de grandes volúmenes, del orden del km3, altamente instrumentados. Se utilizan medios naturales (en el fondo del mar, en lagos o en enterrados en el hielo de la Antártida) aprovechando el agua (o hielo) como material diana donde se espera que interaccione el neutrino. ANTARES es el primer telescopio submarino de neutrinos construido en el fondo del mar Mediterráneo. Está optimizado para la detección óptica de la luz Cherenkov inducida por los muones relativistas producidos en la interacción de neutrinos de alta energía en los alrededores del detector. La información de la carga, posición y tiempo de llegada de los fotones a los fotomultiplicadores que componen el detector permite tanto la reconstrucción de la trayectoria del neutrino como el conocimiento de su energía. Además, ANTARES acoge el experimento AMADEUS mediante el cual se está investigando y testeando la detección acústica de neutrinos de muy alta energía que, al interaccionar en el agua, producen un pulso termo-acústico que se pretende registrar con una red de hidrófonos. El trabajo desarrollado en esta tesis se engloba bajo el marco del experimento ANTARES. Como es común en las tesis desarrolladas en este experimento, el trabajo se ha dividido en dos áreas diferenciadas: por un lado, una parte de enfoque más tecnológico y, por otro lado, una parte analítica de datos tomados por el telescopio. La primera parte de la tesis está centrada en el desarrollo de un calibrador capaz de reproducir la señal acústica que se emite en la interacción de un neutrino de alta energía con un núcleo de agua que, generalizando, es un pulso bipolar altamente directivo. El disponer de un buen calibrador es clave a la hora de testear la detección acústica en el telescopio y poder sintonizar y "entrenar" los los receptores para este tipo de señales. La segunda parte de la tesis se ha centrado en el análisis de datos registrados por ANTARES con el fin de contrastar posibles modelos astrofísicos para la búsqueda de materia oscura. Este trabajo ha focalizado en la detección de los productos de la aniquilación de materia oscura atrapada en el centro del Sol. Se ha testeado el modelo de Secluded Dark Matter (SDM) a través de la detección de di-muones (pareja de muones co-lineales) y neutrinos en la dirección del Sol. A grandes rasgos, este modelo se basa en la idea de la existencia de un mediador resultado de la aniquilación de materia oscura que posteriormente decaería en partículas del modelo estándar como muones o neutrinos. Estos modelos han sido propuestos con el fin de explicar ciertas 'anomalías' experimentales observadas, tales como el espectro del flujo de positrones detectado en satélites, medido recientemente con gran precisión por AMS-II. realizado en esta tesis constituye la primera búsqueda de evidencias

[CA] L'astronomia de neutrins és un camp en auge dins la Física d'Astropartícules. Els neutrins ofereixen grans avantatges com a sondes per estudiar l'Univers llunyà i d'alta energia. Es extensament acceptat que mitjançant la combinació de la informació proporcionada pels neutrins junt a la obtinguda mitjançant fotons d'alta energia (rajos gamma) i partícules carregades (rajos còsmics) es podria obtindre una imatge més completa dels processos astrofísics fonamentals que es donen al llarg del nostre Univers. La raó fonamental per la qual els neutrins són altament valorats com a missatgers és la baixa interacció amb el medi que els envolta. Al ser partícules sense càrrega interactuen molt dèbilment amb la matèria, per això poden escapar-se de la font on s'han produït i, al contrari del que ocorre amb la resta de missatgers, poden arribar a La Terra sense desviar-se pels camps electromagnètics i sense pràcticament pèrdua d'energia. Aquesta mateixa raó que els fan tan valorats és al mateix temps la que els fa tan difícil de detectar. S'imposa la necessitat de construir detectors amb grans volums de detecció, de l'ordre del km3, altament instrumentats. S'utilitzen medis naturals (al fons de la mar, en llacs, al gel de l'Antàrtida) aprofitant l'aigua (o el gel) com a material diana on interaccionen el neutrins. ANTARES és el primer telescopi submarí de neutrins construït al fons de la mar Mediterrània. Està optimitzat per a la detecció òptica de la llum de Cherenkov induïda pels muons relativistes produïts en la interacció de neutrins d'alta energia als voltants del detector. La informació de la carrega, posició i temps d'arribada dels fotons als fotomultiplicadors que composen el detector permet tant la reconstrucció de la trajectòria del neutrí, amb gran resolució angular, com el coneixement de la seua energia. A més, ANTARES acull l'experiment AMADEUS mitjançant el qual s'està investigant i testejant la detecció acústica de neutrins de molt alta energia, que, al interaccionar a l'aigua produeixen un pols termo-acústic que es pretén registrar amb una xarxa d'hidròfons. El treball dut a terme en esta tesi s'engloba baix el marc de l'experiment ANTARES. Com es comú en les tesis desenvolupades en aquest experiment, el treball s'ha dividit en dues àrees diferenciades: per una banda una part d'enfocament mes tecnològic i, d'altra banda, una part analítica de les dades preses pel telescopi. La primera part de la tesi està centrada en el desenvolupament d'un calibrador capaç de reproduir la senyal acústica que es genera en la interacció d'un neutrí d'alta energia amb un nucli de l'aigua que, generalitzant, és un pols bipolar altament directiu. Disposar d'un bon calibrador es clau a l'hora de testejar la detecció acústica al telescopi i poder sintonitzar i "entrenar" els receptors a aquest tipus de senyals. La segona part de la tesi, amb caràcter d'anàlisi de dades, s'ha centrat en l'anàlisi de les dades registrades per ANTARES amb el fi de contrastar possibles models astrofísics per a la recerca de matèria fosca. Aquest treball es centra en la detecció dels productes d'aniquilació de matèria fosca atrapada al centre del Sol. En concret, s'ha testejat el model de Secluded Dark Matter (SDM) a través de la detecció de di-muons (parell de muons co-lineals) i neutrins en la direcció del Sol. A grans trets, aquest model es basa en la idea de l'existència d'un mediador resultat de l'aniquilació de matèria fosca que posteriorment decauria en partícules del model estàndard com muons o neutrins. Aquests models han sigut proposats amb la fi d'explicar certes "anomalies" experimentals observades, tals com l'espectre del flux de positrons detectat en satèl¿lits, mesurat recentment amb gran precisió per AMS-II. L'estudi realitzat en esta tesi constitueix la primera recerca d'evidències experimentals d'aquest tipus de models en telescopis de neutrins.