Search for eV-scale sterile neutrinos with IceCube DeepCore

Abstract

Neutrinooszillationen sind das einzige Phänomen jenseits des Standardmodells, das experimentell mit hoher statistischer Signifikanz bestätigt wurde. Diese Arbeit präsentiert eine Messung der atmosphärischen Neutrinooszillationen unter Verwendung von acht Jahren an Daten, die zwischen 2011 und 2019 vom IceCube DeepCore-Detektor aufgenommen wurden. Die Ereignisauswahl wurde im Vergleich zu früheren DeepCore-Messungen verbessert, wobei ein besonderes Augenmerk auf ihre Robustheit gegenüber systematischen Unsicherheiten in den Detektoreigenschaften gelegt wurde. Die Oszillationsparameter werden über eine Maximum-Likelihood-Fit an gebinnte Daten in der gemessenen Energie und Zenitwinkel geschätzt, wobei die Erwartungswerte aus gewichteten simulierten Ereignissen abgeleitet werdem. Diese Arbeit diskutiert den Simulations- und Datenauswahlprozess sowie die statistischen Methoden, die verwendet werden, um einen genauen Erwartungswert unter variablen Detektoreigenschaften und anderen systematischen Unsicherheiten zu liefern. Die Messung wird zunächst unter Verwendung des Standardmodells der Drei-Flavor-Oszillation durchgeführt, wobei das atmosphärische Massensplitting und der Mischwinkel auf $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3};\mathrm{eV}^2$ und $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$ geschätzt werden. Das Drei-Flavor-Modell wird dann um einen zusätzlichen Masseneigenzustand erweitert, der einem sterilen Neutrino mit Massensplitting $\Delta m^2_{41} = 1;\mathrm{eV}^2$ entspricht und mit den aktiven $\nu_\mu$- und $\nu_\tau$-Flavorzuständen mischen kann. Es wird kein signifikantes Signal eines sterilen Neutrinos beobachtet, und die Mischungsamplituden zwischen den sterilen und aktiven Zuständen werden auf $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ und $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ bei 90\% C.L. begrenzt. Diese Grenzwerte sind um den Faktor zwei bis drei strenger als das vorherige DeepCore-Ergebnis, und die Einschränkung von $|U_{\tau 4}|^2$ ist die stärkste der Welt.Neutrino oscillations are the only phenomenon beyond the Standard Model that has been confirmed experimentally to a very high statistical significance. This work presents a measurement of atmospheric neutrino oscillations using eight years of data taken by the IceCube DeepCore detector between 2011 and 2019. The event selection has been improved over that used in previous DeepCore measurements with a particular emphasis on its robustness with respect to systematic uncertainties in the detector properties. The oscillation parameters are estimated via a maximum likelihood fit to binned data in the observed energy and zenith angle, where the expectation is derived from weighted simulated events. This work discusses the simulation and data selection process, as well as the statistical methods employed to give an accurate expectation value under variable detector properties and other systematic uncertainties. The measurement is first performed first under the standard three-flavor oscillation model, where the atmospheric mass splitting and mixing angle are estimated to be $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3}\;\mathrm{eV}^2$ and $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$, respectively. The three-flavor model is then extended by an additional mass eigenstate corresponding to a sterile neutrino with mass splitting $\Delta m^2_{41} = 1\;\mathrm{eV}^2$ that can mix with the active $\nu_\mu$ and $\nu_\tau$ flavor states. No significant signal of a sterile neutrino is observed and the mixing amplitudes between the sterile and active states are constrained to $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ and $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ at 90\% C.L. These limits are more stringent than the previous DeepCore result by a factor between two and three and the constraint on $|U_{\tau 4}|^2$ is the strongest in the world