IceCube Real-time Searches for High-energy Neutrinos Coincident with LIGO/Virgo/KAGRA Gravitational-Wave Alerts in O4a

Resumen Técnico: Búsquedas en tiempo real de IceCube de neutrinos de alta energía coincidentes con alertas de ondas gravitacionales de LIGO/Virgo/KAGRA en O4a

Problema y Motivación
Las coalescencias de binarias compactas (CBC), incluyendo las fusiones de estrella de neutrones-binaria (BNS), estrella de neutrones-agujero negro (NSBH) y agujero negro-binaria (BBH), son fuentes predichas de neutrinos de alta energía (TeV–PeV). Se espera que estos eventos produzcan chorros relativistas capaces de acelerar rayos cósmicos, los cuales posteriormente interactúan para producir piones y decaer en neutrinos. Si bien la detección de GW170817 y sus contrapartes electromagnéticas estableció la viabilidad de la astronomía de multimensajeros, las fuentes de la mayoría de los neutrinos astrofísicos permanecen sin identificar. IceCube ha buscado previamente contrapartes de neutrinos para eventos de ondas gravitacionales (GW) durante las corridas de observación O1, O2 y O3, sin encontrar una emisión estadísticamente significativa. Este artículo informa sobre las búsquedas en tiempo real realizadas durante la primera parte de la cuarta corrida de observación (O4a) de la red LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), con el objetivo de identificar neutrinos de alta energía coincidentes y mejorar la latencia del proceso de respuesta.

Metodología
El análisis utiliza datos del Observatorio de Neutrinos IceCube, específicamente el conjunto de datos "Gamma-ray Follow-up" (GFU), que consiste en eventos de traza de alta energía reconstruidos con baja latencia. El estudio cubre 85 candidatos a eventos CBC significativos y 945 de baja significancia publicados en tiempo real por LVK durante O4a y la corrida de ingeniería precedente (ER15). Se emplean dos métodos de análisis distintos:

1. Análisis de Máxima Verosimilitud No Clasificado (UML): Una búsqueda transitoria genérica utilizada para alertas de GW significativas. Este método construye una función de verosimilitud que suma las funciones de densidad de probabilidad (PDF) de señal y fondo sobre los eventos de neutrinos observados. La PDF de la señal asume una fuente puntual con un espectro de energía de ley de potencia ($E^{-\gamma}$) e incorpora la probabilidad del mapa estelar de GW ($w(\Omega)$). El estadístico de prueba (TS) se maximiza sobre la ubicación de la fuente, el conteo de la señal y el índice espectral. Los valores p se derivan comparando el TS observado contra una distribución de solo fondo generada mediante pseudoexperimentos donde los eventos se mezclan en ascensión recta y tiempo.
2. Algoritmo de Baja Latencia para Astrofísica de Multimensajeros (LLAMA): Un enfoque bayesiano dependiente de un modelo aplicado tanto a alertas significativas como de baja significancia. Este proceso incorpora prioridades astrofísicas con respecto a la distribución de las energías de emisión de GW, la probabilidad de que los eventos sean astrofísicos versus ruido, y la energía equivalente isotrópica de la emisión de neutrinos. El estadístico de prueba pondera la verosimilitud de cuatro hipótesis: coincidencia verdadera, coincidencia casual con una GW astrofísica, coincidencia casual con un neutrino astrofísico y fondo puro.

La ventana de búsqueda primaria se establece en $\pm 500$ segundos respecto al tiempo de fusión, consistente con la duración esperada de los brotes de rayos gamma cortos. Además, se aplica una ventana de búsqueda extendida de $[-0.1, +14]$ días a tres candidatos específicos: dos fusiones NSBH y un evento de baja significancia con una potencial contraparte de rayos gamma subumbral.

Contribuciones Clave y Mejoras Operativas
Una contribución significativa de este trabajo es la mejora de la infraestructura operativa en tiempo real de IceCube. Los autores informan la implementación de un sistema automatizado que ingiere los resultados de ambos procesos, UML y LLAMA, los combina y envía Avisos GCN legibles por máquina automáticamente. Esta automatización redujo la latencia media de la respuesta de IceCube a los eventos de GW en un factor de 2.7 en comparación con la anterior corrida de observación (O3), logrando una latencia media total de 21 minutos. El sistema también libera automáticamente información de coincidencia de neutrinos (dirección, error, tiempo) si los valores p pre-ensayo caen por debajo de 0.1, y emite Circulares GCN para valores p por debajo de 0.01.

Resultados

• Búsqueda de Corta Duración ($\pm 500$ s): No se detectó ninguna emisión de neutrinos estadísticamente significativa de ninguno de los 85 candidatos de GW significativos o 945 de baja significancia analizados. La distribución de los valores p observados para ambos procesos, UML y LLAMA, es consistente con las expectativas de solo fondo. El valor p pre-ensayo más bajo observado fue 0.0011 para un candidato de baja significancia (S231025a), el cual, tras contabilizar los ensayos en todo el conjunto de datos, no mostró evidencia de una coincidencia real.
• Búsqueda de Larga Duración: La búsqueda extendida para los tres candidatos específicos (dos fusiones NSBH y un evento de baja significancia) también no arrojó emisiones significativas.
• Límites Superiores: Para todos los eventos analizados, los autores establecen límites de confianza del 90% sobre el flujo de neutrinos integrado en el tiempo y la energía equivalente isotrópica ($E_{iso}$) emitida en neutrinos de alta energía. Estos límites asumen una emisión isotrópica y un espectro de ley de potencia. Los límites de $E_{iso}$ se calculan sobre el rango de energía de 500 GeV a 50 PeV.
• Seguimiento de Eventos Específicos: El evento S230904n, una probable fusión BBH, fue seguido en tiempo real. Aunque se identificó una potencial contraparte (AT2023rkw) por parte del Zwicky Transient Facility, la espectroscopía posterior la identificó como una supernova de Tipo Ia, no relacionada con el evento de GW.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la adición de los 85 eventos de O4a casi duplica el número de eventos de GW candidatos analizados con estas búsquedas en comparación con corridas previas. La principal significancia radica en la demostración de un marco de análisis robusto y de baja latencia capaz de procesar tanto alertas de GW significativas como de baja significancia. Los autores enfatizan que, si bien no se encontraron contrapartes de neutrinos, la capacidad de realizar estas búsquedas en tiempo real permite el seguimiento inmediato por parte de otros observatorios, lo que potencialmente aumenta la significancia de futuros candidatos y refina la localización. Los resultados también restringen los modelos teóricos de producción de neutrinos en fusiones de binarias compactas al establecer límites estrictos sobre la energía emitida en neutrinos de alta energía. Los autores señalan que las mejoras futuras en la sensibilidad de los detectores de GW y la expansión planificada a IceCube-Gen2 aumentarán las perspectivas de detectar tales coincidencias.