Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
GPT-4o
Gemini 2.5 Pro Pro
o3 Pro
GPT-4.1 Pro
DeepSeek R1 via Azure Pro
2000 character limit reached

Characterization of the Astrophysical Diffuse Neutrino Flux using Starting Track Events in IceCube (2402.18026v1)

Published 28 Feb 2024 in astro-ph.HE and astro-ph.IM

Abstract: A measurement of the diffuse astrophysical neutrino spectrum is presented using IceCube data collected from 2011-2022 (10.3 years). We developed novel detection techniques to search for events with a contained vertex and exiting track induced by muon neutrinos undergoing a charged-current interaction. Searching for these starting track events allows us to not only more effectively reject atmospheric muons but also atmospheric neutrino backgrounds in the southern sky, opening a new window to the sub-100 TeV astrophysical neutrino sky. The event selection is constructed using a dynamic starting track veto and machine learning algorithms. We use this data to measure the astrophysical diffuse flux as a single power law flux (SPL) with a best-fit spectral index of $\gamma = 2.58 {+0.10}_{-0.09}$ and per-flavor normalization of $\phi{\mathrm{Astro}}_{\mathrm{per-flavor}} = 1.68 {+0.19}_{-0.22} \times 10{-18} \times \mathrm{GeV}{-1} \mathrm{cm}{-2} \mathrm{s}{-1} \mathrm{sr}{-1}$ (at 100 TeV). The sensitive energy range for this dataset is 3 - 550 TeV under the SPL assumption. This data was also used to measure the flux under a broken power law, however we did not find any evidence of a low energy cutoff.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (106)
  1. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Science 342, 1242856 (2013a).
  2. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013b).
  3. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 113, 101101 (2014a).
  4. R. L. Workman and Others (Particle Data Group), PTEP 2022, 083C01 (2022).
  5. E. Fermi, Phys. Rev. 75, 1169 (1949).
  6. G. F. Krymskii, Akademiia Nauk SSSR Doklady 234, 1306 (1977).
  7. A. R. Bell, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 182, 147 (1978).
  8. J. K. Becker, Phys. Rept. 458, 173 (2008).
  9. T. Kashti and E. Waxman, Phys. Rev. Lett. 95, 181101 (2005).
  10. K. Z. Jero, A Search for Starting Tracks in IceCube: A New Window for Detecting Astrophysical Neutrinos, Ph.D. thesis, University of Wisconsin, Madison (2017).
  11. M. Silva and S. Mancina (IceCube), PoS ICRC2019, 1010 (2020).
  12. S. Mancina and M. Silva (IceCube), PoS ICRC2019, 954 (2020).
  13. M. Silva (IceCube), JINST 16 (09), C09015.
  14. S. Mancina and M. Silva (IceCube), JINST 16 (09), C09024.
  15. R. Abbasi et al. (IceCube), PoS ICRC2021, 1130 (2021a).
  16. M. Silva, S. Mancina, and J. Osborn (IceCube), PoS ICRC2023, 1008 (2023).
  17. S. L. Mancina, Astrophysical Neutrino Source Searches Using IceCube Starting Tracks, Ph.D. thesis, University of Wisconsin, Madison (2022).
  18. M. Silva, Precision Measurement of the Astrophysical Neutrino Flux using Starting Track Events in IceCube, Ph.D. thesis, University of Wisconsin, Madison (2023).
  19. R. Abbasi et al. (IceCube) (2024), submission to ApJ in progress.
  20. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Science 361, 147 (2018a).
  21. R. Abbasi et al. (IceCube), Science 378, 538 (2022a).
  22. R. Abbasi et al. (IceCube), Science 380, 1338 (2023a).
  23. K. Murase and E. Waxman, Phys. Rev. D 94, 103006 (2016).
  24. F. Capel, D. J. Mortlock, and C. Finley, Phys. Rev. D 101, 123017 (2020).
  25. R. Abbasi et al. (IceCube), Astrophys. J. 951, 45 (2023b).
  26. K. Fang, J. S. Gallagher, and F. Halzen, Astrophys. J. 933, 190 (2022).
  27. K. Murase, D. Guetta, and M. Ahlers, Phys. Rev. Lett. 116, 071101 (2016).
  28. A. Loeb and E. Waxman, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2006 (05), 003.
  29. K. Murase, S. Inoue, and S. Nagataki, Astrophys. J. Lett. 689, L105 (2008).
  30. V. S. Berezinsky and A. A. Mikhailov, in Possible Regions of Origin of Ultrahigh Energy Cosmic Rays in Our Galaxy, International Cosmic Ray Conference, Vol. 2 (1987) p. 54.
  31. D. Eichler, Astrophys. J.  232, 106 (1979).
  32. D. Kazanas and D. C. Ellison, Astrophys. J.  304, 178 (1986).
  33. M. C. Begelman, B. Rudak, and M. Sikora, Astrophys. J.  362, 38 (1990).
  34. F. Haardt and L. Maraschi, Astrophys. J. Lett. 380, L51 (1991).
  35. A. P. Szabo and R. J. Protheroe, Astropart. Phys. 2, 375 (1994).
  36. J. Alvarez-Muniz and P. Meszaros, Phys. Rev. D 70, 123001 (2004).
  37. A. Cuoco and S. Hannestad, Phys. Rev. D 78, 023007 (2008).
  38. H. B. J. Koers and P. Tinyakov, Phys. Rev. D 78, 083009 (2008).
  39. K. Murase, in Neutrino Astronomy: Current Status, Future Prospects, edited by T. Gaisser and A. Karle (World Scientific Publishing, 2017) pp. 15–31.
  40. S. Razzaque, P. Mészáros, and E. Waxman, Phys. Rev. Lett. 93, 181101 (2004).
  41. S. Ando and J. F. Beacom, Phys. Rev. Lett. 95, 061103 (2005).
  42. H. B. J. Koers and R. A. M. J. Wijers,   (2007), arXiv:0711.4791 [astro-ph] .
  43. S. R. Klein, R. E. Mikkelsen, and J. Becker Tjus, Astrophys. J. 779, 106 (2013).
  44. K. Murase, M. Ahlers, and B. C. Lacki, Phys. Rev. D 88, 121301 (2013).
  45. M. Aartsen et al., Astroparticle Physics 78, 1 (2016).
  46. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 125, 121104 (2020a).
  47. R. Abbasi et al. (IceCube), Astrophys. J. 928, 50 (2022b).
  48. R. Abbasi et al. (IceCube), Phys. Rev. D 104, 022002 (2021b).
  49. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. D 91, 022001 (2015).
  50. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. D 99, 032004 (2019a).
  51. M. G. Aartsen et al. (IceCube), JINST 12 (03), P03012.
  52. R. Abbasi et al., NIM-A 618, 139 (2010).
  53. R. Abbasi et al., NIM-A 601, 294 (2009).
  54. P. A. Cherenkov, Dokl. Akad. Nauk SSSR 2, 451 (1934).
  55. R. Abbasi et al. (IceCube), Astropart. Phys. 35, 615 (2012).
  56. T. K. Gaisser, T. Stanev, and S. Tilav, Front. Phys. (Beijing) 8, 748 (2013a).
  57. A. Cooper-Sarkar, P. Mertsch, and S. Sarkar, Journal of High Energy Physics 2011, 42 (2011).
  58. A. M. Dziewonski and D. L. Anderson, Physics of the Earth and Planetary Interiors 25, 297 (1981).
  59. A. Gazizov and M. Kowalski, Computer Physics Communications 172, 203 (2005).
  60. J. van Santen, Neutrino Interactions in IceCube above 1 TeV Constraints on Atmospheric Charmed-Meson Production and Investigation of the Astrophysical Neutrino Flux with 2 Years of IceCube Data taken 2010–2012, Ph.D. thesis, University of Wisconsin, Madison (2014).
  61. M. P. Kowalski, Search for neutrino-induced cascades with the AMANDA-II detector, Ph.D. thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I (2004).
  62. M. Ackermann et al., Journal of Geophysical Research: Atmospheres 111 (2006).
  63. M. G. Aartsen et al. (IceCube), NIM-A 711, 73 (2013c).
  64. V. J. Stenger, in Track Fitting For Dumand-II Octagon Array (technical report) (University of Hawaii at Manoa, 1990).
  65. M. G. Aartsen et al. (IceCube), NIM-A 736, 143 (2014b).
  66. J. Ahrens et al., NIM-A 524, 169 (2004).
  67. M. G. Aartsen et al., JINST 9 (03), P03009.
  68. L. Breiman, Machine Learning 45, 5 (2001).
  69. P. Geurts, D. Ernst, and L. Wehenkel, Mach. Learn. 63, 3–42 (2006).
  70. R. Abbasi et al., NIM-A 703, 190 (2013).
  71. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Phys. Rev. Lett. 124, 051103 (2020b).
  72. M. G. Aartsen et al. (IceCube), JINST 15 (06), P06032.
  73. M. Ackermann et al. (IceCube), in 30th International Cosmic Ray Conference (2007).
  74. F. James and M. Roos, Comput. Phys. Commun. 10, 343 (1975).
  75. H. Dembinski et al., scikit-hep/iminuit: v2.17.0, Zenodo (2022).
  76. S. S. Wilks, The Annals of Mathematical Statistics 9, 60 (1938).
  77. G. Collin, An estimation of systematics for up-going atmospheric muon neutrino flux at the south pole., MIT Libraries: DSpace@MIT (2015), dataset release.
  78. T. K. Gaisser, T. Stanev, and S. Tilav, Front. Phys. (Beijing) 8, 748 (2013b).
  79. P. Askebjer et al., Appl. Opt. 36, 4168 (1997).
  80. P. B. Price and L. Bergström, Appl. Opt. 36, 4181 (1997).
  81. P. B. Price, K. Woschnagg, and D. Chirkin, Geophysical Research Letters 27, 2129 (2000).
  82. M. G. Aartsen et al., Journal of Glaciology 59, 1117–1128 (2013d).
  83. R. Abbasi et al. (IceCube), Phys. Rev. D 79, 062001 (2009).
  84. Rongen, Martin, EPJ Web of Conferences 116, 06011 (2016).
  85. S. Fiedlschuster, The Effect of Hole Ice on the Propagation and Detection of Light in IceCube, Ph.D. thesis, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (2019).
  86. R. Abbasi et al. ((IceCube Collaboration)*, IceCube), Phys. Rev. D 108, 012014 (2023c).
  87. D. Tosi and C. Wendt (IceCube), PoS TIPP2014, 157 (2014).
  88. S. Baker and R. D. Cousins, NIM-A 221, 437 (1984).
  89. J. C. Spall, Journal of Computational and Graphical Statistics 14, 889 (2005).
  90. J. C. Spall, in 2008 American Control Conference (2008) pp. 2395–2400.
  91. S. Das, J. C. Spall, and R. Ghanem, Computational Statistics & Data Analysis 54, 272 (2010).
  92. S. L. Glashow, Phys. Rev. 118, 316 (1960).
  93. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Nature 591, 220 (2021), [Erratum: Nature 592, E11 (2021)].
  94. A. Domínguez et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 410, 2556 (2011).
  95. T. K. Gaisser, Cosmic rays and particle physics. (Cambridge University Press, 1990).
  96. M. Ackermann et al. (Fermi-LAT), Astrophys. J. 799, 86 (2015).
  97. M. Ackermann et al. (Fermi-LAT), Phys. Rev. Lett. 116, 151105 (2016).
  98. A. Capanema, A. Esmaili, and P. D. Serpico, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2021 (02), 037.
  99. A. Albert et al., Astrophys. J. Lett. 868, L20 (2018).
  100. M. G. Aartsen et al., Astrophys. J.  849, 67 (2017b).
  101. M. G. Aartsen et al., Astrophys. J. 886, 12 (2019b).
  102. M. Ackermann et al., Astrophys. J. Supplement Series 203, 4 (2012a).
  103. M. Ackermann et al., Astrophys. J. 750, 3 (2012b).
  104. M. G. Aartsen et al. (IceCube), Astrophys. J. 849, 67 (2017c).
  105. R. Enberg, M. H. Reno, and I. Sarcevic, Phys. Rev. D 78, 043005 (2008).
  106. J. L. Kelley et al. (IceCube), AIP Conference Proceedings 1630, 154 (2014).
Citations (8)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now
Dice Question Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Follow-up Questions

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now