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UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (https://dare.uva.nl)UvA-DARE (Digital Academic Repository)The Antares neutrino telescope : performance studies and analysis of first dataBruijn, R.Publication date2008Link to publicationCitation for published version (APA):Bruijn, R. (2008). The Antares neutrino telescope : performance studies and analysis of firstdata. [Thesis, fully internal, Universiteit van Amsterdam].General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s)and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an opencontent license (like Creative Commons).Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, pleaselet the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the materialinaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letterto: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. Youwill be contacted as soon as possible.Download date:28 Nov 2023ContentsIntroduction 11 High-energy neutrino astronomy 51.1 Neutral particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.1 Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2 Gamma rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Neutrino sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 The Antares neutrino telescope 132.1 Neutrino interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Detection principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Other signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4 Cherenkov light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 Muon energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 The Antares neutrino telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.1 Optical module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.2 Detector layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.6.3 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.7 Signal and background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.8 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.9 Current status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.10 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.10.1 Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.10.2 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.10.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.10.4 Photon generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.10.5 Simulation chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.10.6 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38viiCONTENTS3 Reconstruction 413.1 Maximum Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.1 Probability Density Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.1.2 The Gaussian approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.1.3 M-estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.3 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.1 L1’ Hits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.2 1D Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.1 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.2 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4.3 Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4.4 1 Dimensional case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5 PDF fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.6 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.6.1 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.6.2 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.6.3 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.6.4 Full PDF Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.6.5 Complete Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.6.6 Error estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.6.7 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.6.8 Compatible solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834 Analysis of Line 1 Data 874.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.2 Data sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.3 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3.1 Optical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3.2 Angular acceptance of the optical modules . . . . . . . . . . 914.3.3 Line geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.3.4 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.3.5 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.4 Event display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.5 Electro-magnetic showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.6 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.7 Zenith angle distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.7.1 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.7.2 Measured muon rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.7.3 Angular resolution from data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8 Vertical muon intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109viiiCONTENTS4.9 Neutrino candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145 Detector performance 1175.1 Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.1.1 Angular acceptances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1185.2 Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.2.1 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.2.2 Up/Down likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.2.3 Likelihood and number of compatible solutions . . . . . . . 1255.3 Effective area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1265.4 Angular resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346 Summary and conclusion 135References 141Samenvatting 147Dankwoord 151ixCONTENTSx

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The Antares neutrino telescope : performance studies and analysis of first data

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The ANTARES neutrino telescope: Performance studies and analysis of first data

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Contents
Introduction 1
1 High-energy neutrino astronomy 5
1.1 Neutral particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Gamma rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Neutrino sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 The Antares neutrino telescope 13
2.1 Neutrino interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Detection principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Other signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Cherenkov light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Muon energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 The Antares neutrino telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.1 Optical module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.2 Detector layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6.3 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Signal and background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.8 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.9 Current status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.1 Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.10.2 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10.4 Photon generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.10.5 Simulation chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.10.6 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
vii
CONTENTS
3 Reconstruction 41
3.1 Maximum Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1 Probability Density Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 The Gaussian approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.3 M-estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 L1’ Hits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 1D Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.4 1 Dimensional case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 PDF fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.1 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6.2 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6.3 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.4 Full PDF Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.5 Complete Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.6 Error estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.7 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.8 Compatible solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Analysis of Line 1 Data 87
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Data sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.1 Optical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 Angular acceptance of the optical modules . . . . . . . . . . 91
4.3.3 Line geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.4 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.5 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Event display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5 Electro-magnetic showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.7 Zenith angle distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.7.1 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.7.2 Measured muon rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7.3 Angular resolution from data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.8 Vertical muon intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
viii
CONTENTS
4.9 Neutrino candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5 Detector performance 117
5.1 Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.1 Angular acceptances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2 Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Up/Down likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.3 Likelihood and number of compatible solutions . . . . . . . 125
5.3 Effective area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4 Angular resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6 Summary and conclusion 135
References 141
Samenvatting 147
Dankwoord 151
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Contents
Introduction 1
1 High-energy neutrino astronomy 5
1.1 Neutral particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Gamma rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Neutrino sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 The Antares neutrino telescope 13
2.1 Neutrino interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Detection principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Other signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Cherenkov light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Muon energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 The Antares neutrino telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.1 Optical module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.2 Detector layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6.3 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Signal and background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.8 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.9 Current status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.1 Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.10.2 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10.4 Photon generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.10.5 Simulation chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.10.6 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
vii
CONTENTS
3 Reconstruction 41
3.1 Maximum Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1 Probability Density Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 The Gaussian approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.3 M-estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 L1’ Hits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 1D Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.4 1 Dimensional case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 PDF fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.1 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6.2 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6.3 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.4 Full PDF Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.5 Complete Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.6 Error estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.7 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.8 Compatible solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Analysis of Line 1 Data 87
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Data sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.1 Optical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 Angular acceptance of the optical modules . . . . . . . . . . 91
4.3.3 Line geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.4 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.5 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Event display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5 Electro-magnetic showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.7 Zenith angle distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.7.1 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.7.2 Measured muon rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7.3 Angular resolution from data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.8 Vertical muon intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
viii
CONTENTS
4.9 Neutrino candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5 Detector performance 117
5.1 Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.1 Angular acceptances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2 Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Up/Down likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.3 Likelihood and number of compatible solutions . . . . . . . 125
5.3 Effective area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4 Angular resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6 Summary and conclusion 135
References 141
Samenvatting 147
Dankwoord 151
ix
CONTENTS
x


UvA-DARE

UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (https://dare.uva.nl)UvA-DARE (Digital Academic Repository)The Antares neutrino telescope : performance studies and analysis of first dataBruijn, R.Publication date2008Link to publicationCitation for published version (APA):Bruijn, R. (2008). The Antares neutrino telescope : performance studies and analysis of firstdata.General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s)and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an opencontent license (like Creative Commons).Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, pleaselet the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the materialinaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letterto: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. Youwill be contacted as soon as possible.Download date:25 Jul 2022ContentsIntroduction 11 High-energy neutrino astronomy 51.1 Neutral particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.1 Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2 Gamma rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Neutrino sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 The Antares neutrino telescope 132.1 Neutrino interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Detection principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Other signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4 Cherenkov light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 Muon energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 The Antares neutrino telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.1 Optical module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.2 Detector layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.6.3 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.7 Signal and background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.8 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.9 Current status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.10 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.10.1 Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.10.2 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.10.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.10.4 Photon generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.10.5 Simulation chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.10.6 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38viiCONTENTS3 Reconstruction 413.1 Maximum Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.1 Probability Density Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.1.2 The Gaussian approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.1.3 M-estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.3 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.1 L1’ Hits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.2 1D Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.1 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.2 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4.3 Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4.4 1 Dimensional case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5 PDF fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.6 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.6.1 Hit Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.6.2 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.6.3 χ2 Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.6.4 Full PDF Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.6.5 Complete Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.6.6 Error estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.6.7 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.6.8 Compatible solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834 Analysis of Line 1 Data 874.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.2 Data sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.3 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3.1 Optical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3.2 Angular acceptance of the optical modules . . . . . . . . . . 914.3.3 Line geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.3.4 Atmospheric muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.3.5 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.4 Event display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.5 Electro-magnetic showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.6 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.7 Zenith angle distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.7.1 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.7.2 Measured muon rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.7.3 Angular resolution from data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8 Vertical muon intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109viiiCONTENTS4.9 Neutrino candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145 Detector performance 1175.1 Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.1.1 Angular acceptances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1185.2 Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.2.1 Track length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.2.2 Up/Down likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.2.3 Likelihood and number of compatible solutions . . . . . . . 1255.3 Effective area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1265.4 Angular resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346 Summary and conclusion 135References 141Samenvatting 147Dankwoord 151ixCONTENTSx

The ANTARES neutrino telescope: Performance studies and analysis of first data

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