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

Résumé technique : Recherches en temps réel d'IceCube pour les neutrinos de haute énergie coïncidant avec les alertes d'ondes gravitationnelles de LIGO/Virgo/KAGRA dans l'O4a

Problème et motivation
Les coalescences de binaires compactes (CBC), incluant les fusions de binaires d'étoiles à neutrons (BNS), d'étoiles à neutrons–trou noir (NSBH) et de trous noirs binaires (BBH), sont des sources prédites de neutrinos de haute énergie (TeV–PeV). Ces événements sont censés produire des jets relativistes capables d'accélérer des rayons cosmiques, qui interagissent ensuite pour produire des pions et se désintègrent en neutrinos. Bien que la détection de GW170817 et de ses contreparties électromagnétiques ait établi la viabilité de l'astronomie multi-messagers, les sources de la majorité des neutrinos astrophysiques restent non identifiées. IceCube a précédemment recherché des contreparties de neutrinos pour les événements d'ondes gravitationnelles (GW) lors des campagnes d'observation O1, O2 et O3, sans trouver d'émission statistiquement significative. Cet article rend compte des recherches en temps réel menées durant la première partie de la quatrième campagne d'observation (O4a) du réseau LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), visant à identifier les coïncidences de neutrinos de haute énergie et à améliorer la latence du pipeline de réponse.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de l'Observatoire de neutrinos IceCube, plus précisément le jeu de données « Gamma-ray Follow-up » (GFU), qui consiste en des événements de type trace (track-like) de haute énergie reconstruits avec une faible latence. L'étude couvre 85 candidats CBC significatifs et 945 candidats de faible signification publiés en temps réel par le LVK durant l'O4a et la période de run d'ingénierie précédente (ER15). Deux méthodes d'analyse distinctes sont employées :

1. Analyse par maximum de vraisemblance non groupée (UML) : Une recherche de transitoires générique utilisée pour les alertes GW significatives. Cette méthode construit une fonction de vraisemblance sommant les fonctions de densité de probabilité (PDF) du signal et du bruit sur les événements de neutrinos observés. La PDF du signal suppose une source ponctuelle avec un spectre d'énergie en loi de puissance ($E^{-\gamma}$) et incorpore la probabilité de la carte du ciel GW ($w(\Omega)$). La statistique de test (TS) est maximisée sur la localisation de la source, le nombre de signaux et l'indice spectral. Les p-valeurs sont dérivées en comparant la TS observée à une distribution de fond générée via des pseudo-expériences où les événements sont mélangés en ascension droite et en temps.
2. Algorithme à faible latence pour l'astrophysique multi-messagers (LLAMA) : Une approche bayésienne dépendante d'un modèle appliquée aux alertes significatives et de faible signification. Ce pipeline incorpore des priors astrophysiques concernant la distribution des énergies d'émission GW, la probabilité que les événements soient astrophysiques plutôt que du bruit, et l'énergie isotrope équivalente de l'émission de neutrinos. La statistique de test pondère la vraisemblance de quatre hypothèses : coïncidence réelle, coïncidence fortuite avec une GW astrophysique, coïncidence fortuite avec un neutrino astrophysique, et bruit pur.

La fenêtre de recherche primaire est fixée à $\pm 500$ secondes par rapport au temps de fusion, ce qui est cohérent avec la durée attendue des sursauts gamma courts. De plus, une fenêtre de recherche étendue de $[-0,1, +14]$ jours est appliquée à trois candidats spécifiques : deux fusions NSBH et un événement de faible signification possédant une potentielle contrepartie de rayons gamma de sous-seuil.

Contributions clés et améliorations opérationnelles
Une contribution significative de ce travail est l'amélioration de l'infrastructure opérationnelle en temps réel d'IceCube. Les auteurs rapportent l'implémentation d'un système automatisé qui ingère les résultats des deux pipelines UML et LLAMA, les fusionne et envoie automatiquement des avis GCN lisibles par machine. Cette automatisation a réduit la latence médiane de la réponse d'IceCube aux événements GW d'un facteur 2,7 par rapport à la précédente campagne d'observation (O3), atteignant une latence médiane totale de 21 minutes. Le système publie également automatiquement les informations de coïncidence de neutrinos (direction, erreur, temps) si les p-valeurs pré-essais tombent en dessous de 0,1, et émet des circulaires GCN pour les p-valeurs inférieures à 0,01.

Résultats

• Recherche de courte durée ($\pm 500$ s) : Aucune émission de neutrinos statistiquement significative n'a été détectée pour les 85 candidats GW significatifs ou les 945 candidats de faible signification analysés. La distribution des p-valeurs observées pour les pipelines UML et LLAMA est cohérente avec les attentes de fond uniquement. La plus basse p-valeur pré-essai observée était de 0,0011 pour un candidat de faible signification (S231025a), laquelle, après prise en compte des essais sur l'ensemble du jeu de données, n'a montré aucune preuve de coïncidence réelle.
• Recherche de longue durée : La recherche étendue pour les trois candidats spécifiques (deux fusions NSBH et un événement de faible signification) n'a également produit aucune émission significative.
• Limites supérieures : Pour tous les événements analysés, les auteurs ont établi des limites de confiance à 90 % sur le flux de neutrinos intégré dans le temps et sur l'énergie isotrope équivalente ($E_{iso}$) émise en neutrinos de haute énergie. Ces limites supposent une émission isotrope et un spectre en loi de puissance. Les limites de $E_{iso}$ sont calculées sur la plage d'énergie de 500 GeV à 50 PeV.
• Suivi d'événements spécifiques : L'événement S230904n, une fusion probablement de type BBH, a fait l'objet d'un suivi en temps réel. Bien qu'une potentielle contrepartie (AT2023rkw) ait été identifiée par le Zwicky Transient Facility, une spectroscopie ultérieure l'a identifiée comme une supernova de type Ia, sans rapport avec l'événement GW.

Signification et revendications
L'article affirme que l'ajout des 85 événements de l'O4a double presque le nombre de candidats GW analysés avec ces recherches par rapport aux campagnes précédentes. La principale signification réside dans la démonstration d'un cadre d'analyse robuste en temps réel capable de traiter à la fois les alertes GW significatives et de faible signification. Les auteurs soulignent que, bien qu'aucune contrepartie de neutrino n'ait été trouvée, la capacité d'effectuer ces recherches en temps réel permet un suivi immédiat par d'autres observatoires, augmentant potentiellement la signification de futurs candidats et affinant la localisation. Les résultats contraignent également les modèles théoriques de production de neutrinos dans les fusions de binaires compactes en établissant des limites supérieures strictes sur l'énergie émise en neutrinos de haute énergie. Les auteurs notent que les améliorations futures de la sensibilité des détecteurs GW et l'expansion prévue vers IceCube-Gen2 augmenteront les perspectives de détection de telles coïncidences.