Combined KM3NeT/ARCA and ANTARES search for compact neutrino sources

Sintesi Tecnica: Ricerca Combinata di Sorgenti di Neutrini Compatte KM3NeT/ARCA e ANTARES

Problema e Obiettivo
Questo lavoro affronta la ricerca di neutrini ad alta energia provenienti da sorgenti astrofisiche puntiformi. L'obiettivo primario è dimostrare il potenziale della combinazione dei dati di due distinti rivelatori di neutrini: il telescopio ANTARES (operativo al largo di Tolone, Francia, dal 2008 al 2022) e il rivelatore KM3NeT/ARCA (attualmente in costruzione al largo della Sicilia). Entrambi gli strumenti offrono una visibilità ottimale del Cielo Australe e del Centro Galattico. L'analisi mira a stabilire un quadro di ricerca congiunta utilizzando un approccio di verosimiglianza binata (binned likelihood) per migliorare la sensibilità e il potenziale di scoperta rispetto alle analisi standalone.

Metodologia
L'analisi utilizza un dataset combinato che comprende quattro componenti distinte:

1. Dataset ANTARES Track: 4541 giorni di tempo di vita (livetime), suddivisi in dataset di tracce (track) e di cascate (shower) non sovrapponibili.
2. Dataset ANTARES Shower: Incluso nella suddivisione dei 4541 giorni.
3. ARCA19 Tracks: Eventi di tipo traccia provenienti da KM3NeT/ARCA con 19 linee di rilevamento (48,4 giorni).
4. ARCA21 Tracks: Eventi di tipo traccia provenienti da KM3NeT/ARCA con 21 linee di rilevamento (287,4 giorni).

Definizioni: "Tracks" si riferisce agli eventi che coinvolgono la produzione di muoni, mentre le "Showers" sono indotte da interazioni a corrente neutra di tutti i sapori di neutrini e da interazioni a corrente carica di neutrini elettronici.

Quadro Statistico
L'analisi impiega un approccio di verosimiglianza binata. L'istogramma degli eventi osservati ($N$) viene confrontato con una stima del segnale scalabile ($S$) basata su un flusso di riferimento ($\Phi_0 = 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$) e una stima del fondo ($B$). La funzione di verosimiglianza è definita come:
$$\ln L = \sum_{i}^{N_{bins}} N_i \ln(B_i + \zeta S_i) - (B_i + \zeta S_i)$$
dove $\zeta$ è il parametro di intensità del segnale. La statistica del test $\lambda$ è il rapporto di log-verosimiglianza tra la migliore intensità del segnale ($\hat{\zeta}$) e l'ipotesi del solo fondo ($\zeta=0$).

• Potenziale di Scoperta: Definito come l'intensità del segnale ($\zeta_{5\sigma}$) necessaria per ottenere un eccesso di $5\sigma$ nel 50% dei pseudo-esperimenti.
• Sensibilità: Definita come il limite superiore mediano al livello di confidenza (CL) del 90% su $\zeta$, calcolato utilizzando l'approccio di Neyman.

Modellazione del Fondo e Incertezze Sistematiche
Per affrontare le incertezze sistematiche relative alla modellazione del fondo, sono stati eseguiti quattro casi di analisi indipendenti attraverso bande di declinazione:

• Caso 1: Il fondo di ARCA è interamente guidato dai dati (data-driven); la generazione di ANTARES è guidata dai dati, la valutazione è tramite Monte Carlo (MC).
• Caso 2: Simile al Caso 1, ma i dati di generazione del fondo di ANTARES sono randomizzati (distribuzione azimutale uniforme).
• Caso 3: Tutti i dataset utilizzano l'algoritmo DEFT per la stima del fondo sia nella generazione che nella valutazione.
• Caso 4: ARCA è guidata dai dati; ANTARES è interamente basata su MC.

La dispersione dei risultati attraverso questi quattro casi definisce la banda di incertezza sistematica. Gli istogrammi sono costruiti in termini di distanza angolare ($\log_{10} \alpha$), energia ricostruita ($\log_{10} E$) e, per le tracce di ANTARES, stima dell'errore angolare ($\log_{10} \beta$).

Risultati Chiave
L'analisi assume uno spettro energetico $E^{-2}$ e un rapporto di sapori 1:1:1.

• Miglioramento delle Prestazioni: Sebbene i dati di ANTARES guidino significativamente i risultati dell'analisi congiunta, la combinazione con i dati di ARCA migliora le prestazioni di circa il 10% rispetto all'analisi standalone di ANTARES.
• Sorgente Candidata MG3 J225517+2409: Questa sorgente ha prodotto il p-value pre-trial più basso di $(1,2 \pm 0,4) \cdot 10^{-4}$, corrispondente a una significatività di $(3,69 \pm 0,09)\sigma$.
  • Flusso di miglior adattamento (best-fit): $E^2\phi = (1,39 \pm 0,02) \cdot 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$.
  • Probabilità post-trial: Calcolata tramite formula binomiale come $0,013 \pm 0,004$ ($(2,26 \pm 0,13)\sigma$). Un approccio basato su simulazioni ha prodotto un p-value post-trial di $0,018 \pm 0,006$ ($(2,12 \pm 0,14)\sigma$).
  • Una stima post-trial semplificata, che tiene conto della selezione iniziale da 1255 oggetti e della successiva riduzione del catalogo, suggerisce una probabilità di $\approx 0,1$ di osservare un tale candidato.
• Altri Candidati: L'analisi ha valutato anche altre sorgenti note, incluse 3C403 ($p \approx 1,5 \cdot 10^{-3}$) e TXS 0506+056, fornendo limiti superiori al CL del 90% per un catalogo di 106 sorgenti.
• Mappa del Cielo: La mappa del cielo vicino a MG3 J225517+225517+2409 mostra che un evento ARCA21 ha un box di errore che include la posizione della sorgente, con una verosimiglianza del segnale 6,3 volte superiore rispetto allo scenario del solo fondo.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma di dimostrare la fattibilità e il potenziale di un'analisi combinata tra ANTARES e KM3NeT/ARCA. Stabilisce che, sebbene i risultati attuali siano dominati dal dataset maturo di ANTARES, l'integrazione dei dati di ARCA fornisce un miglioramento misurabile della sensibilità. Gli autori osservano che man mano che KM3NeT/ARCA cresce in dimensioni ed esposizione, si prevede che raggiungerà i livelli di prestazione di ANTARES entro pochi anni, rendendo l'analisi congiunta dei dati sempre più critica per le scoperte future. Il lavoro fornisce un quadro per gestire le incertezze sistematiche attraverso molteplici strategie di modellazione del fondo e stabilisce limiti superiori per una vasta gamma di candidati astrofisici.