Combined KM3NeT/ARCA and ANTARES search for compact neutrino sources

Résumé technique : Recherche de sources de neutrinos compactes combinant KM3NeT/ARCA et ANTARES

Problématique et Objectif
Ce travail traite de la recherche de neutrinos de haute énergie provenant de sources astrophysiques ponctuelles. L'objectif principal est de démontrer le potentiel de la combinaison des données de deux détecteurs de neutrinos distincts : le télescope ANTARES (opérationnel au large de Toulon, France, de 2008 à 2022) et le détecteur KM3NeT/ARCA (en cours de construction au large de la Sicile). Les deux instruments offrent une visibilité optimale du ciel austral et du Centre Galactique. L'analyse vise à établir un cadre de recherche conjoint utilisant une approche de vraisemblance par bacs (binned likelihood) afin d'améliorer la sensibilité et le potentiel de découverte par rapport aux analyses autonomes.

Méthodologie
L'analyse utilise un ensemble de données combinées comprenant quatre composantes distinctes :

1. Jeu de données de traces ANTARES : 4541 jours de temps de vie, divisés en jeux de données de traces et de gerbes (showers) non chevauchants.
2. Jeu de données de gerbes ANTARES : Inclus dans la division des 4541 jours.
3. ARCA19 Traces : Événements de type trace provenant de KM3NeT/ARCA avec 19 lignes de détection (48,4 jours).
4. ARCA21 Traces : Événements de type trace provenant de KM3NeT/ARCA avec 21 lignes de détection (287,4 jours).

Définitions : Les « traces » (tracks) font référence aux événements impliquant la production de muons, tandis que les « gerbes » (showers) sont induites par des interactions à courant neutre de toutes les saveurs de neutrinos et des interactions à courant chargé des neutrinos électroniques.

Cadre Statistique
L'analyse emploie une approche de vraisemblance par bacs. L'histogramme des événements observés ($N$) est comparé à une estimation de signal scalable ($S$) basée sur un flux de référence ($\Phi_0 = 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$) et une estimation du bruit de fond ($B$). La fonction de vraisemblance est définie par :
$$\ln L = \sum_{i}^{N_{bins}} N_i \ln(B_i + \zeta S_i) - (B_i + \zeta S_i)$$
où $\zeta$ est le paramètre d'intensité du signal. La statistique de test $\lambda$ est le rapport de log-vraisemblance entre la force du signal la mieux ajustée ($\hat{\zeta}$) et l'hypothèse de bruit de fond uniquement ($\zeta=0$).

• Potentiel de Découverte : Défini comme l'intensité du signal ($\zeta_{5\sigma}$) requise pour obtenir un excès de $5\sigma$ dans 50 % des pseudo-expériences.
• Sensibilité : Définie comme la limite supérieure médiane à un niveau de confiance (CL) de 90 % sur $\zeta$, calculée selon l'approche de Neyman.

Modélisation du Bruit de Fond et Incertitudes Systématiques
Pour traiter les incertitudes systématiques liées à la modélisation du bruit de fond, quatre cas d'analyse indépendants ont été effectués à travers des bandes de déclinaison :

• Cas 1 : Le bruit de fond d'ARCA est entièrement piloté par les données ; la génération d'ANTARES est pilotée par les données, l'évaluation est par Monte Carlo (MC).
• Cas 2 : Similaire au Cas 1, mais les données de génération du bruit de fond d'ANTARES sont randomisées (distribution azimutale uniforme).
• Cas 3 : Tous les jeux de données utilisent l'algorithme DEFT pour l'estimation du bruit de fond, tant pour la génération que pour l'évaluation.
• Cas 4 : ARCA est piloté par les données ; ANTARES est entièrement basé sur MC.

L'écart des résultats à travers ces quatre cas définit la bande d'incertitude systématique. Les histogrammes sont construits en termes de distance angulaire ($\log_{10} \alpha$), d'énergie reconstruite ($\log_{10} E$) et, pour les traces ANTARES, d'estimation de l'erreur angulaire ($\log_{10} \beta$).

Résultats Clés
L'analyse suppose un spectre d'énergie en $E^{-2}$ et un ratio de saveurs de 1:1:1.

• Amélioration des Performances : Bien que les données d'ANTARES dictent de manière significative les résultats de l'analyse conjointe, la combinaison avec les données d'ARCA améliore les performances d'environ 10 % par rapport à l'analyse autonome d'ANTARES.
• Source Candidate MG3 J225517+2409 : Cette source a produit la p-valeur pré-essai la plus faible de $(1,2 \pm 0,4) \cdot 10^{-4}$, correspondant à une signification de $(3,69 \pm 0,09)\sigma$.
  • Flux le mieux ajusté : $E^2\phi = (1,39 \pm 0,02) \cdot 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$.
  • Probabilité post-essai : Calculée via la formule binomiale comme étant de $0,013 \pm 0,004$ ($(2,26 \pm 0,13)\sigma$). Une approche basée sur la simulation a produit une p-valeur post-essai de $0,018 \pm 0,006$ ($(2,12 \pm 0,14)\sigma$).
  • Une estimation post-essai simplifiée tenant compte de la sélection initiale de 1255 objets et de la réduction ultérieure du catalogue suggère une probabilité d'environ 0,1 d'observer un tel candidat.
• Autres Candidats : L'analyse a également évalué d'autres sources connues, incluant 3C403 ($p \approx 1,5 \cdot 10^{-3}$) et TXS 0506+056, fournissant des limites supérieures à 90 % CL pour un catalogue de 106 sources.
• Carte du Ciel : La carte du ciel près de MG3 J225517+2409 montre qu'un événement ARCA21 possède une boîte d'erreur incluant la position de la source, avec une vraisemblance de signal 6,3 fois supérieure au scénario de bruit de fond uniquement.

Signification et Revendications
L'article prétend démontrer la faisabilité et le potentiel d'une analyse combinée entre ANTARES et KM3NeT/ARCA. Il établit que, bien que les résultats actuels soient dominés par l'ensemble de données mature d'ANTARES, l'intégration des données d'ARCA fournit une amélioration mesurable de la sensibilité. Les auteurs notent qu'à mesure que KM3NeT/ARCA continuera de croître en taille et en exposition, il devrait atteindre les niveaux de performance d'ANTARES d'ici quelques années, rendant l'analyse conjointe des données de plus en plus critique pour les découvertes futures. Ce travail fournit un cadre pour gérer les incertitudes systématiques grâce à plusieurs stratégies de modélisation du bruit de fond et fixe des limites supérieures pour un large éventail de candidats astrophysiques.