[论文解读] The IceCube Neutrino Observatory Part II: Atmospheric and Diffuse UHE Neutrino Searches of All Flavors

IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+279 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文利用2009年5月至2010年4月期间的IceCube-59数据，对弥散的天体物理中微子进行了搜索，采用对能量谱的似然拟合方法，以区分大气中微子与河外中微子的贡献。该分析在43 TeV至6310 TeV能量范围内，对谱指数g = −2的未破缺幂律天体物理中微子通量设定了初步的90%置信度上限，为1.7×10⁻⁸ GeV⁻¹ sr⁻¹ cm⁻²——目前该能量段最严格的约束。

ABSTRACT

Papers on atmospheric and diffuse UHE neutrino searches of all flavors submitted to the 33nd International Cosmic Ray Conference (Rio de Janeiro 2013) by the IceCube Collaboration.

研究动机与目标

• 在IceCube-59数据中搜索高能天体物理中微子的各向同性弥散通量。
• 区分大气中微子背景与潜在的河外中微子信号。
• 通过拟合观测到的能量谱，利用似然法对弥散天体物理中微子通量设定严格上限。
• 通过粲介子衰变评估脉冲大气中微子的贡献，并与理论预测进行比较。

提出的方法

• 对IceCube-59在2009–2010年期间记录的中微事件能量谱进行了似然拟合。
• 拟合中包含了来自π介子和K介子衰变的大气中微子组分、μ子背景以及来自粲介子衰变的脉冲中微子。
• 允许能量标度、通量归一化和宇宙射线指数等干扰参数在不确定范围内变化，以考虑系统效应。
• 为推导上限，将天体物理中微子通量的谱指数固定为g = −2，与费米加速模型一致。
• 使用似然函数轮廓，在90%置信水平下计算上限，假设为幂律谱。
• 将结果与Enberg脉冲中微子通量模型及先前的IceCube限制进行比较，以评估灵敏度的提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube-59数据中是否存在高能天体物理中微子弥散通量的证据？
• RQ2 中微事件的观测能量谱与大气中微子和脉冲中微子源的预测相比如何？
• RQ3 在43 TeV至6310 TeV能量范围内，谱指数为g = −2的弥散天体物理中微子通量的上限是多少？
• RQ4 来自粲介子衰变的脉冲大气中微子贡献与理论预测相比如何？
• RQ5 与先前的IceCube分析相比，该上限在灵敏度上如何？

主要发现

• 未发现天体物理中微子通量的显著证据；数据与大气起源一致。
• 最佳拟合模型中未包含天体物理中微子贡献，似然函数在天体物理通量为零时达到最大值。
• 在43 TeV至6310 TeV能量范围内，对谱指数g = −2的弥散天体物理中微子通量设定了初步的90%置信度上限，为1.7×10⁻⁸ GeV⁻¹ sr⁻¹ cm⁻²。
• 该上限比先前IceCube的限制（3.6×10⁻⁷ GeV⁻¹ sr⁻¹ cm⁻²）严格了逾一个数量级。
• 来自脉冲大气中微子（来自粲介子衰变）的贡献被限制在Enberg等人[10]预测通量的≤9.0倍以内，包括PeV能量区间的谱形修正。
• 该分析表明灵敏度优于早期IceCube研究，在此能量段设定了当前最严格的未破缺幂律天体物理中微子通量上限。