Combined KM3NeT/ARCA and ANTARES search for compact neutrino sources

Resumen Técnico: Búsqueda Combinada de Fuentes de Neutrinos Compactas mediante KM3NeT/ARCA y ANTARES

Problema y Objetivo
Este trabajo aborda la búsqueda de neutrinos de alta energía originados en fuentes astrofísicas puntuales. El objetivo principal es demostrar el potencial de combinar los datos de dos detectores de neutrinos distintos: el telescopio ANTARES (operativo frente a Tolon, Francia, de 2008 a 2022) y el detector KM3NeT/ARCA (actualmente en construcción frente a Sicilia). Ambos instrumentos ofrecen una visibilidad óptima del cielo del sur y del Centro Galáctico. El análisis tiene como fin establecer un marco de búsqueda conjunta utilizando un enfoque de verosimilitud por intervalos (binned likelihood) para mejorar la sensibilidad y el potencial de descubrimiento en comparación con los análisis independientes.

Metodología
El análisis utiliza un conjunto de datos combinado que comprende cuatro componentes distintos:

1. Conjunto de datos de trazas (tracks) de ANTARES: 4541 días de tiempo de vida (livetime), divididos en conjuntos de datos de trazas y de cascadas (showers) no superpuestos.
2. Conjunto de datos de cascadas de ANTARES: Incluido en la división de 4541 días.
3. ARCA19 Tracks: Eventos tipo traza de KM3NeT/ARCA con 19 líneas de detección (48.4 días).
4. ARCA21 Tracks: Eventos tipo traza de KM3NeT/ARCA con 21 líneas de detección (287.4 días).

Definiciones: Las "trazas" (tracks) se refieren a eventos que involucran la producción de muones, mientras que las "cascadas" (showers) son inducidas por interacciones de corriente neutra de todos los sabores de neutrinos e interacciones de corriente cargada de neutrinos electrónicos.

Marco Estadístico
El análisis emplea un enfoque de verosimilitud por intervalos. El histograma de eventos observados ($N$) se compara con una estimación de señal escalable ($S$) basada en un flujo de referencia ($\Phi_0 = 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$) y una estimación de fondo ($B$). La función de verosimilitud se define como:
$$\ln L = \sum_{i}^{N_{bins}} N_i \ln(B_i + \zeta S_i) - (B_i + \zeta S_i)$$
donde $\zeta$ es el parámetro de intensidad de la señal. El estadístico de prueba $\lambda$ es la razón de log-verosimilitud entre la mejor intensidad de señal ajustada ($\hat{\zeta}$) y la hipótesis de solo fondo ($\zeta=0$).

• Potencial de Descubrimiento: Definido como la intensidad de la señal ($\zeta_{5\sigma}$) requerida para lograr un exceso de $5\sigma$ en el 50% de los pseudo-experimentos.
• Sensibilidad: Definida como el límite superior de confianza (CL) del 90% mediano sobre $\zeta$, calculado utilizando el enfoque de Neyman.

Modelado de Fondo e Incertidumbres Sistemáticas
Para abordar las incertidumbres sistemáticas relacionadas con el modelado del fondo, se realizaron cuatro casos de análisis independientes a través de bandas de declinación:

• Caso 1: El fondo de ARCA es totalmente basado en datos; la generación de ANTARES es basada en datos, la evaluación es mediante Monte Carlo (MC).
• Caso 2: Similar al Caso 1, pero los datos de generación de fondo de ANTARES están aleatorizados (distribución azimutal uniforme).
• Caso 3: Todos los conjuntos de datos utilizan el algoritmo DEFT para la estimación del fondo tanto en la generación como en la evaluación.
• Caso 4: ARCA es basado en datos; ANTARES se basa enteramente en MC.

La dispersión de los resultados a través de estos cuatro casos define la banda de incertidumbre sistemática. Los histogramas se construyen en términos de distancia angular ($\log_{10} \alpha$), energía reconstruida ($\log_{10} E$) y, para las trazas de ANTARES, la estimación del error angular ($\log_{10} \beta$).

Resultados Clave
El análisis asume un espectro de energía $E^{-2}$ y una relación de sabor de 1:1:1.

• Mejora del Rendimiento: Aunque los datos de ANTARES impulsan significativamente los resultados del análisis conjunto, la combinación con los datos de ARCA mejora el rendimiento aproximadamente un 10% en comparación con el análisis independiente de ANTARES.
• Fuente Candidata MG3 J225517+2409: Esta fuente produjo el valor p pre-trial más bajo de $(1.2 \pm 0.4) \cdot 10^{-4}$, lo que corresponde a una significancia de $(3.69 \pm 0.09)\sigma$.
  • Flujo de mejor ajuste: $E^2\phi = (1.39 \pm 0.02) \cdot 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$.
  • Probabilidad post-trial: Calculada mediante la fórmula binomial como $0.013 \pm 0.004$ ($(2.26 \pm 0.13)\sigma$). Un enfoque basado en simulaciones arrojó un valor p post-trial de $0.018 \pm 0.006$ ($(2.12 \pm 0.14)\sigma$).
  • Una estimación post-trial simplificada que tiene en cuenta la selección inicial de 1255 objetos y la subsiguiente reducción del catálogo sugiere una probabilidad de $\approx 0.1$ de observar tal candidato.
• Otros Candidatos: El análisis también evaluó otras fuentes conocidas, incluyendo 3C403 ($p \approx 1.5 \cdot 10^{-3}$) y TXS 0506+056, proporcionando límites superiores al 90% CL para un catálogo de 106 fuentes.
• Mapa del Cielo: El mapa del cielo cerca de MG3 J225517+2409 muestra que un evento de ARCA21 tiene una caja de error que incluye la ubicación de la fuente, con una verosimilitud de señal 6.3 veces mayor que el escenario de solo fondo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar la viabilidad y el potencial de un análisis combinado entre ANTARES y KM3NeT/ARCA. Establece que, si bien los resultados actuales están dominados por el conjunto de datos maduro de ANTARES, la integración de los datos de ARCA proporciona una mejora medible en la sensibilidad. Los autores señalan que a medida que KM3NeT/ARCA crezca en tamaño y exposición, se espera que alcance los niveles de rendimiento de ANTARES en pocos años, haciendo que el análisis conjunto de datos sea cada vez más crítico para futuros descubrimientos. El trabajo proporciona un marco para manejar las incertidumbres sistemáticas mediante múltiples estrategias de modelado de fondo y establece límites superiores para una amplia gama de candidatos astrofísicos.