Ricerca di un segnale di neutrini cosmici dalle sorgenti gamma puntiformi delle mappe HAWC con 10 anni di dati del telescopio ANTARES e primi risultati di KM3NET

The ANTARES detector is the largest neutrino telescope in the norther hemisphere in operation since 2007, with the main scientific goal to discover astrophysical neutrino sources in the TeV-PeV energy range. In this thesis the first results of the search for a neutrino counterpart of the HAWC γ-ray sky using the data collected by the ANTARES telescope in the period of time 2007-2017 is presented. In particular the search for a neutrino emission from the point-like sources Markarian 421 and Markarian 501 and from the HAWC γ-ray sky has been performed. At GeV-TeV energies the γ-ray emission due to unresolved sources, resulting from the interaction of cosmic rays with matter and photons, is the dominant component of the γ-ray sky. In consequence of the cosmic ray interactions in our Galaxy, it is also expected that a significant component of the diffuse neutrino flux reaching the Earth has a galactic origin and can be directly related to the observed galactic γ-rays. The sky maps used to develop the 2 years HAWC γ-ray point source catalogue, that represents the most sensitive survey of the TeV sky at the present day, can be used to investigate the origin of the neutrino emission. In order to search for a neutrino counterpart to the HAWC γ-ray sky, two γ-ray point source sky maps have been considered as reference models to determine a topological and spectral energy distributions of the neutrino flux all over the sky. Even if only a fraction of the observed γ-ray emission can be considered of hadronic origin, in this work a one-to-one correspondence between the γ-ray and neutrino fluxes has been assumed. The sensitivity of the search for point-like neutrino sources has been estimated through MC simulations of neutrinos. The contribution to the background of atmospheric muons and atmospheric neutrinos has been also taken into account. The background from atmospheric muons has been rejected by selecting upward-going neutrino-induced tracks and applying cuts on the quality parameters of the track reconstruction algorithm. The estimator of the reconstructed energy has been used to reject atmospheric neutrinos. The search for a neutrino emission from the point-like sources has been performed using a maximum likelihood method. The search for a neutrino emission from Markarian 421 and Markarian 501 sets a sensitivity two orders of magnitude higher than the predicted neutrino fluxes. The search for an all-sky neutrino emission from the HAWC point source sky map sets an average upper limit which is a factor about 7 higher than the brightest source of the list. A less sensitive result of about 20 % has been found respect to previous ANTARES point-like source search. Since the discrepancy between the average upper limits is mainly due to the different MC productions considered in the two analyses, the differences between the MC productions are under investigations. The possibility to improve the sensitivity of the full-sky search through a stacking analysis of the point-like sources of the HAWC γ-ray sky will be investigated in a future extension of this work. A better limit setting on the ANTARES sensitivity can be reached including also the contribution of shower-like events. Finally, a much more realistic neutrino production model will be also taken into account. To extend the ANTARES performances the KM3NeT collaboration started to build a research infrastructure in the Mediterranean Sea which will host a multi cubic kilometre scale neutrino telescope, the ARCA detector. In this thesis the software developed for the qualification and monitoring of the KM3NeT/ARCA data is presented. The analysis of the ARCA data provided the first measurement of the depth dependence of the coincidence rates induced by atmospheric muons with the two ARCA-DUs, proving also the high-performance of the ARCA detector.

ANTARES è il più grande telescopio per neutrini cosmici presente nell'emisfero nord terrestre, il cui principale obiettivo scientifico è la scoperta di sorgenti di neutrini cosmici di energia del TeV-PeV del nostro Universo. In questo lavoro di tesi sono presentati i risultati preliminari dello studio della sensibilità del telescopio ANTARES al flusso di neutrini proveniente dalle regioni nel cielo in cui un elevato flusso γ è stato osservato dal telescopio HAWC. In particolare, in riferimento al periodo di acquisizione dati di ANTARES 2007-2017, è stata svolta la ricerca di un flusso di neutrini emesso dalle sorgenti puntiformi Markarian 421 e Markarian 501 e dall'intero cielo γ osservato da HAWC. Poichè una rilevante componente della radiazione γ diffusa alle energie del GeV-TeV è dovuta all'interazione dei raggi cosmici con la materia e radiazione presenti nella nostra galassia, ci si aspetta che una significativa componente del flusso diffuso di neutrini cosmici osservabile da Terra sia di origine galattica e direttamente correlato all'emissione γ osservata. In questo lavoro di tesi due differenti mappe del cielo γ fornite dalla collaborazione HAWC sono state utilizzate per investigare l'origine del flusso di neutrini cosmici atteso a Terra. A tale scopo, le mappe sono state usate come modelli di riferimento per determinare la distribuzione spaziale e lo spettro in energia del flusso di neutrini cosmici. Inoltre, sebbene soltanto una frazione del flusso γ osservato da HAWC è di origine adronica, in questo lavoro è stata considerata una corrispondenza diretta tra il flusso γ e il flusso di neutrini. La sensibilità al flusso di neutrini atteso è stata stimata tramite simulazioni MC di neutrini, includendo anche il contributo al background dovuto ai muoni atmosferici ed ai neutrini atmosferici. La componente di background dovuta ai muoni atmosferici è stata rigettata selezionando le traccie degli eventi con elevato angolo di zenith e applicando dei tagli ai parametri che caratterizzano la qualità di ricostruzione della traccia. L'estimatore di energia ricostruita dell'evento è stato invece usato per ridurre la componenti di background dovuta ai neutrini atmosferici. La ricerca di un flusso di neutrini emesso da sorgenti puntiformi è stata svolta usando il metodo della massimizzazione della likelihood. La ricerca di una componenti di neutrini cosmici emessi dalle sorgenti Markarian 421 e Markarian 501 ha permesso di determinare una sensibilità a tale flusso che risulta essere due ordini di grandezza minore rispetto ai flussi previsti. La ricerca di un flusso di neutrini cosmici correlato all'emissione γ del cielo osservato da HAWC ha permesso di definire una sensibilità circa 7 volte inferiore al flusso di neutrini emesso dalla sorgente più intensa tra quelle presenti nelle mappe. Il risultato ottenuto in merito alla ricerca di sorgenti puntiformi di neutrini cosmici risulta essere circa 20% meno sensibile rispetto ai risultati precedentemente ottenuti con il telescopio ANTARES. Tale differenza è principalmente dovuta all'utilizzo di simulazioni MC differenti rispetto a quelle utilizzate nelle precedenti analisi. Le discrepanze osservate tra le due produzioni MC sono attualmente oggetto di indagine. La possibilità di migliorare il risultato ottenuto sarà investigata in una futura estensione di questo lavoro attraverso una “stacking analysis” delle sorgenti presenti nelle mappe di HAWC, tenendo conto anche di un più realistico modello di emissione di neutrini. Al fine di estendere i risultati ottenuti dal telescopio ANTARES, la collaborazione KM3NeT ha iniziato la realizzazione di una nuova infrastruttura di ricerca nel Mar Mediterraneo che ospiterà un rivelatore di neutrini cosmici con energia nel GeV-TeV, il telescopio ARCA. Parte di questo lavoro di tesi è dedicata alle descrizione del software sviluppato per la qualificazione e il monitoraggio dei dati acquisiti con il telescopio ARCA. L'analisi di tali dati ha permesso di ottenere la prima misura della dipendenza dalla profondità marina del rate di coincidenze indotto dal flusso di muoni atmosferici con le prime due ARCA-DU.