Chasing Cosmic Coincidences: Multi-Messenger Searches with Neutrinos and Gravitational Waves

Die Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos und Gravitationswellen (GW) hat eine neue Ära der Multi-Messenger-Astroteilchenphysik eingeläutet und bietet einzigartige Möglichkeiten zur Erforschung des nicht-thermischen Universums. Während die gleichzeitige Detektion von GW und Neutrinos zusammen mit elektromagnetischen Signalen bereits in einzelnen Fällen gelungen ist, wurde bislang noch keine gemeinsame Quelle für GW und Neutrinos identifiziert. Eine solche Entdeckung würde beispiellose Einblicke sowohl in die Prozesse liefern, die kosmische Strahlung auf extreme Energien beschleunigen, als auch generell in die Physik kompakter Objekte.
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Um die laufenden Suchbemühungen voranzutreiben, präsentiert diese Arbeit eine systematische Suche nach gemeinsamer GW-Neutrino-Emission, basierend auf der größten Stichprobe von archivierten GW-Ereignissen aus der dritten Beobachtungsphase der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration, die seit 2021 öffentlich zugänglich ist. Die Analyse nutzt die All-Flavour-Sub-TeV-Neutrino-Messungen des IceCube-Neutrino-Observatoriums, motiviert durch Szenarien, in denen außeraxiale Jets Doppler-entzerrte Neutrino-Spektren im Sub-TeV-Energiebereich liefern. Zum ersten Mal werden diese beiden Datensätze in einer Analyse kombiniert, wobei eine Blind-Maximum-Likelihood-Methode ohne Binning verwendet wird, um die statistische Signifikanz räumlicher und zeitlicher Übereinstimmungen zu bewerten. Aus den GW-Katalogen werden 103 vielversprechende Kandidaten verschiedener Quellenklassen identifiziert, gefolgt von Sensitivitätsstudien mit in der Rektaszension verschmierten Neutrinos und anschließender Katalogsuche nach korrelierten Neutrinos innerhalb eines Zeitfensters von 1000 s. Es wurden für keines der Ereignisse statistisch signifikante Koinzidenzen gefunden. Daher wurden Obergrenzen für den zeitintegrierten, energieskalierten Neutrinofluss pro Flavour für Neutrinoenergien von $\mathcal{O}$(10-100)~GeV berechnet. Dieses Limit liegt für alle Ereignisse im Bereich $E^2F_{\nu+\bar{\nu}}$ = 1–10 GeV $\mathrm{cm^{-2}}$.

Um die Auswirkungen der Nichtdetektion zu untersuchen, befasst sich die Arbeit auch mit den Aussichten für die Identifizierung gemeinsamer GW-Neutrino-Quellen mit Observatorien der nächsten Generation, insbesondere dem Einstein-Teleskop (ET) und IceCube-Gen2. Verschmelzungen von binären schwarzen Löchern in aktiven galaktischen Kernen werden als vielversprechende Kandidaten untersucht, da sie das Potenzial haben, relativistische Jets anzutreiben. Für Quellen der nördlichen Hemisphäre wurde der erwartete Neutrino-Hintergrund im Bereich von $10^3$-$10^7$ GeV pro Deklinationsbin bestimmt und die Nachweissignifikanz sowohl für einzelne Verschmelzungen, die von ET beobachtet werden können, als auch für deren Populationen unter Einzel-Detektor- und Netzwerk-Szenarien von Neutrino-Observatorien quantifiziert. Es zeigt sich, dass selbst mit verbesserter Empfindlichkeit der Detektoren der nächsten Generation die Möglichkeiten der Katalogsuche auf Basis von Einzelereignissen begrenzt bleiben. Im Gegensatz dazu bieten Stacking-Analysen einen gangbaren Weg, um in Zukunft eine Population gemeinsamer GW-Neutrino-Quellen aufzudecken.

The detection of astrophysical neutrinos and gravitational waves (GW) has ushered in a new era of multi-messenger astroparticle physics, offering unique opportunities to explore the non-thermal Universe. While coincident detections of GW and neutrinos alongside electromagnetic signals have already been achieved in separate instances, no common source of GW and neutrinos has yet been identified. Such a discovery will provide unprecedented insight into the processes that accelerate cosmic rays to extreme energies and the physics of compact objects.

To advance these ongoing search efforts, this thesis presents a systematic search for joint GW-neutrino emission, based on the largest sample of archival GW events from the third observation run of the LIGO–Virgo–KAGRA collaboration, publicly available since 2021. ... mehrThe analysis employs the all-flavour, sub-TeV neutrino sample from the IceCube Neutrino Observatory, motivated by scenarios in which off-axis jets produce Doppler de-boosted neutrino spectra below the~TeV energy range. For the first time, these two datasets are combined within a joint framework, employing an unbinned maximum-likelihood method to assess the statistical significance of spatial and temporal coincidences. From the GW catalogues, 103 promising candidates of different source classes are identified, followed by blind sensitivity studies using neutrino events with scrambled right ascension and a catalogue search with unblinded data for correlated neutrinos within a 1000~s time window. No statistically significant coincidences are found, and upper limits are estimated on the time-integrated, energy-scaled, per-flavour neutrino flux, $E^2F_{\nu+\bar{\nu}}$. The upper limits are found to be in the range between 1 - 10 $\mathrm{GeV~cm^{-2}}$ within $\mathcal{O}$(10-100) GeV neutrino energy range.

To address the implications of non-detection, the thesis also investigates the prospects for identifying common GW-neutrino sources with next-generation facilities, particularly the Einstein Telescope and IceCube-Gen2. Binary black hole mergers in active galactic nuclei disks are investigated as promising candidates for powering relativistic jets. For Northern Hemisphere sources, the expected neutrino background in the $10^3$–$10^7$ GeV range is estimated per declination bin, and the detection significance is quantified for both individual mergers that ET could observe and their populations, as well as for individual neutrino detectors and their networks. It is found that, even with improved sensitivity of next-generation detectors, catalogue searches remain limited in potential. In contrast, stacking analyses offer a viable path to uncovering a population of common GW-neutrino sources in the future.