[論文レビュー] Measurement of the Diffuse Astrophysical Muon-Neutrino Spectrum with Ten Years of IceCube Data

J. Stettner|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、10年間のIceCubeデータを用いて、より洗練された系統的不確かさの取り扱いとPass-2再処理を施した、拡散的宇宙背景ミューオンニュートリノスペクトルの更新測定を提示する。最良適合のべき乗法則スペクトルは、正規化 $\Phi_{\text{astro}} = 1.44 \times 10^{-18}\ \text{GeV}^{-1}\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}\text{sr}^{-1}$ およびスペクトル指数 $\gamma_{\text{astro}} = 2.28$ を示し、以前の結果と整合的であるが、精度が向上し、系統的不確かさが低減されている。

ABSTRACT

The IceCube Neutrino Observatory measured a flux of high-energy astrophysical neutrinos in several detection channels. The energy spectrum is fitted as unbroken power-law, but different best-fit parameters were obtained in the various analyses covering different energy ranges between few TeV to 10 PeV. Here, we present an update to the analysis of through-going muon-neutrinos from the Northern Hemisphere. It was extended to almost ten years of data and an improved treatment of systematic uncertainties on the atmospheric fluxes was implemented. The updated best-fit parameters for the astrophysical flux assuming a power-law energy spectrum are $\\Phi_{astro}=1.44$ and $\\gamma_{astro}=2.28$. We will present the results of the spectral fit and discuss how the measured flux compares to other IceCube results.

研究の動機と目的

• 10年間のIceCubeデータにおける拡散的宇宙背景ミューオンニュートリノフラックスを、より洗練された系統的不確かさの制御で測定すること。
• 全検出器構成で一貫した再処理済みデータセット（Pass-2）を用いて、高エネルギーニュートリノのスペクトルフィットを更新すること。
• 特にプロンプトおよび従来型成分を含む大気ニュートリノフラックスの不確かさが、宇宙背景フラックス測定に与える影響を評価すること。
• 他のIceCube解析（例：スターティングイベント、カスケード）と比較し、検出チャネル間での一貫性を評価すること。

提案手法

• 分析は、北天球領域からの透過ミューオンニュートリノイベントを、高品質なトラック再構築のためのブーストド・ディシジョン・ツリーを用いて選別する。
• モンテカルロシミュレーションでは、MCEqを用いてMSIS-00およびSIBYLL2.3cを用いて、従来型およびプロンプト大気ニュートリノフラックスをモデル化し、宇宙背景成分は単一のべき乗法則としてモデル化する。
• 再構築されたミューオンエネルギーおよび天の川の傾きのコサインでビニングされたデータとシミュレーションを比較するため、ポisson尤度関数が用いられ、信号およびバックグラウンドパラメータを同時にフィットする。
• 系統的不確かさは、余剰パrameter（ヌイアンスパラメータ）を用いて取り扱い、主宇宙線フラックスモデル（例：H4a、GST-4gen、GSF-beta）および大気モデルの変動を含む。
• Pass-2再処理キャンペーンでは、2010年から2016年までの歴史的データを再キャリブレーションし、4％の電荷スケールシフトを是正し、IC59、IC79、IC86構成間の整合性を確保した。
• 信頼区間および宇宙背景正規化とスペクトル指数の相関を求めるために、プロファイル尤度スキャンが実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年間のIceCubeデータを用いた、改善された系統的不確かさを伴う拡散的宇宙背景ミューオンニュートリノフラックスの最良適合べき乗法則スペクトルは何か？
• RQ2 主宇宙線フラックスモデルの変動が、測定された宇宙背景フラックスパラメータに与える影響は何か？
• RQ3 プロンプト大気ニュートリノが宇宙背景フラックス測定に与える影響は何か？また、その正規化に上限を設定できるか？
• RQ4 更新された結果は、他のチャネル（例：スターティングイベント、カスケード）における以前のIceCubeの宇宙背景フラックス測定とどのように比較できるか？
• RQ5 大気ニュートリノフラックスモデルの不確かさが、宇宙背景フラックスパラメータに与える感度はどの程度か？

主な発見

• 最良適合の宇宙背景フラックス正規化は、$\Phi_{\text{astro}} = 1.44 \times 10^{-18}\ \text{GeV}^{-1}\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}\text{sr}^{-1}$ であり、68％信頼区間は $^{+0.25}_{-0.24}$ である。
• 最良適合スペクトル指数は $\gamma_{\text{astro}} = 2.28$ であり、68％信頼区間は $^{+0.08}_{-0.09}$ である。これは、以前の結果と比較してスペクトルのソフトニングを示している。
• プロンプト大気ニュートリノ正規化は、最良適合でゼロであり、宇宙背景パラメータにわずかな影響を与える。MCEqベースラインで固定した場合、$\Delta\gamma_{\text{astro}} = -0.05$ のシフトが生じる。
• GST-4gen主宇宙線フラックスモデルがデータに最もよく適合し、H4aベースラインと比較して $\Delta\text{LLH} = 4.4$ の改善が得られた。
• 結果は、他の検出チャネル（例：スターティングイベント、カスケード）における以前のIceCubeの宇宙背景フラックス測定と整合的である。これは、プロファイル尤度曲線の比較で示された。
• 大気フラックスモデルの系統的不確かさは、主にヌイアンスパラメータに吸収され、宇宙背景パラメータにほとんど影響を与えない。