Search for Astrophysical Tau-Neutrinos in Six Years of High-Energy Starting Events in the IceCube Detector

Astrophysikalische Neutrinos können in der Wechselwirkung kosmischer Strahlungsteilchen mit Materie oder Photonen nahe derer Quellen entstehen. Die auf der Erde erwartete Flavor-Zusammensetzung kann mögliche Neutrino Produktionsmechanismen einschränken. Tau-Neutrinos sind aufgrund von Flavor-Oszillationen über kosmische Distanzen zu erwarten. Das IceCube Neutrino Observatorium hat astrophysikalische Neutrinos bei Energien zwischen ~60 TeV und ~10 PeV entdeckt. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ist kompatibel mit ~1:1:1, wie vom Pion Produktionsszenario erwartet wird. Die Elektron- und Tau-Neutrino Anteile sind experimentell jedoch weitgehend unbestimmt. Das Ziel der in dieser Dissertation präsentierten Arbeit ist die erste Identifikation eines Tau-Neutrinos in IceCube. Die Suche basiert auf der “Doppel-Kaskaden” Ereignistopologie, die durch zwei aufeinanderfolgende Teilchenschauer aufgrund der Tau-Neutrino Wechselwirkung bzw. des Tau-Zerfalls beschrieben ist. Tau-Neutrinos werden durch die Rekonstruktion dieser Ereignistopologie identifiziert. Der Abstand zwischen beiden Kaskaden entspricht der Tau-Zerfallslänge. Tau-Neutrinos werden oberhalb einer deponierten Energie von ~200 TeV mit einer Effizienz von ~30-50% bei einer Untergrundkontamination von ~5-25% identifiziert. Die Tau-Zerfallslänge wird oberhalb der Auflösungsgrenze von ~10 m auf ~2 m genau bestimmt. In Abhängigkeit des angenommenen Neutrino-Energiespektrums werden ~1-3 identifizierbare Tau-Neutrinos und ~1 Untergrundereignis erwartet. Kein Doppel-Kaskaden Ereignis wird in sechs Jahren experimenteller Daten beobachtet. Der astrophysikalische Tau-Neutrino Fluss wird durch ein oberes Limit von 2.68x10^{-18}(E/100 TeV)^{-2.97} GeV^{-1} cm^{-2} sr^{-1} s^{-1} mit einem Konfidenzniveau von 90% beschränkt. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ~0.51:0.49:0 ist mit dem Pion Produktionsszenario kompatibel. Die Ergebnisse beinhalten die bislang sensitivste Suche nach hochenergetischen Tau-Neutrinos in IceCube.Astrophysical neutrinos may be produced in interactions of cosmic rays with ambient matter or photons near their sources. The observable flavor composition on Earth can constrain possible production scenarios. The appearance of tau-neutrinos due to neutrino oscillations over cosmic baselines is a clear astrophysical signature. A diffuse flux of astrophysical neutrinos between ~60 TeV to ~10 PeV energy was discovered with the IceCube Neutrino Observatory. The observed flavor composition is compatible with ~1:1:1 expected from pion production and decay at the sources, although the experimental constraints on the electron- and tau-neutrino fractions are weak. The work presented in this thesis aims to identify a tau-neutrino interaction in IceCube for the first time. The search is based on the “double cascade” event topology, which is unique to the tau-flavor and characterized by two consecutive particle showers from the charged-current interaction of a tau-neutrino with a nucleus in the ice and the subsequent decay of the tau-lepton. Tau-neutrinos are identified by reconstructing this event topology, for which the distance between both cascades is an estimator of the tau decay length. Above ~200 TeV deposited energy, the identification efficiency is between ~30-50% and the background contamination ~5-25%. The tau decay length is resolved to ~2 m above the experimental resolution limit of ~10 m. This search is expected to yield ~1-3 identifiable tau-neutrino interactions and ~1 background event, depending on the assumed neutrino energy spectrum. No double cascade event is observed in six years of detector data. The astrophysical tau-neutrino flux is constrained by an upper limit of 2.68x10^{-18}(E/100 TeV)^{-2.97} GeV^{-1} cm^{-2} sr^{-1} s^{-1} at 90% confidence level. The measured flavor composition of ~0.51:0.49:0 is compatible with the pion production scenario. The results entail the most sensitive search for highly energetic tau-neutrinos in IceCube so far