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

Resumo Técnico: Buscas em Tempo Real do IceCube por Neutrinos de Alta Energia Coincidentes com Alertas de Ondas Gravitacionais LIGO/Virgo/KAGRA em O4a

Problema e Motivação
Coalescências de binários compactos (CBCs), incluindo fusões de estrela de nêutrons-binária (BNS), estrela de nêutrons–buraco negro (NSBH) e buraco negro–binário (BBH), são fontes previstas para neutrinos de alta energia (TeV–PeV). Espera-se que esses eventos produzam jatos relativísticos capazes de acelerar raios cósmicos, que subsequentemente interagem para produzir píons e decair em neutrinos. Embora a detecção de GW170817 e seus contrapartes eletromagnéticos tenha estabelecido a viabilidade da astronomia multimensageira, as fontes da maioria dos neutrinos astrofísicos permanecem não identificadas. O IceCube buscou anteriormente por contrapartes de neutrinos para eventos de ondas gravitacionais (GW) durante as corridas de observação O1, O2 e O3, não encontrando emissão estatisticamente significativa. Este artigo relata as buscas em tempo real conduzidas durante a primeira parte da quarta corrida de observação (O4a) da rede LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), visando identificar neutrinos de alta energia coincidentes e melhorar a latência do pipeline de resposta.

Metodologia
A análise utiliza dados do Observatório de Neutrinos IceCube, especificamente o conjunto de dados "Gamma-ray Follow-up" (GFU), que consiste em eventos de traço de alta energia reconstruídos com baixa latência. O estudo abrange 85 candidatos a CBC significativos e 945 candidatos de baixa significância publicados em tempo real pela LVK durante O4a e a corrida de engenharia precedente (ER15). Dois métodos de análise distintos são empregados:

1. Análise de Máxima Verossimilhança Não Paramétrica (UML): Uma busca de transiente genérica usada para alertas de GW significativos. Este método constró o uma função de verossimilhança somando as funções de densidade de probabilidade (PDFs) de sinal e fundo sobre os eventos de neutrinos observados. A PDF do sinal assume uma fonte pontual com um espectro de energia de lei de potência ($E^{-\gamma}$) e incorpora o mapa celeste de GW ($w(\Omega)$). A estatística de teste (TS) é maximizada sobre a localização da fonte, contagem de sinal e índice espectral. Os valores-p são derivados comparando o TS observado contra uma distribuição de apenas fundo gerada via pseudoexperimentos onde os eventos são embaralhados em ascensão reta e tempo.
2. Algoritmo de Baixa Latência para Astrofísica Multimensageira (LLAMA): Uma abordagem Bayesiana dependente de modelo aplicada a alertas tanto significativos quanto de baixa significância. Este pipeline incorpora priors astrofísicos em relação à distribuição das energias de emissão de GW, a probabilidade de eventos serem astrofísicos versus ruído, e a energia isotrópica equivalente da emissão de neutrinos. A estatística de teste pondera a verossimilhança de quatro hipóteses: coincidência verdadeira, coincidência casual com um GW astrofísico, coincidência casual com um neutrino astrofísico e puro fundo.

A janela de busca primária é definida como $\pm 500$ segundos em relação ao tempo de fusão, consistente com a duração esperada de surtos gama de curta duração. Adicionalmente, uma janela de busca estendida de $[-0,1, +14]$ dias é aplicada a três candidatos específicos: duas fusões NSBH e um evento de baixa significância com um potencial contraparte de raios gama subthreshold.

Principais Contribuições e Melhorias Operacionais
Uma contribuição significativa deste trabalho é o aprimoramento da infraestrutura operacional do IceCube. Os autores relatam a implementação de um sistema automatizado que ingere resultados de ambos os pipelines UML e LLAMA, funde-os e envia Avisos GCN legíveis por máquina automaticamente. Esta automação reduziu a latência mediana da resposta do IceCube a eventos de GW em um fator de 2,7 em comparação com a corrida de observação anterior (O3), alcançando uma latência total mediana de 21 minutos. O sistema também libera automaticamente informações de neutrinos coincidentes (direção, erro, tempo) se os valores-p pré-teste caírem abaixo de 0,1, e emite GCN Circulars para valores-p abaixo de 0,01.

Resultados

• Busca de Curta Duração ($\pm 500$ s): Nenhuma emissão de neutrino estatisticamente significativa foi detectada de nenhum dos 85 candidatos de GW significativos ou 945 de baixa significância analisados. A distribuição dos valores-p observados para ambos os pipelines UML e LLAMA é consistente com as expectativas de apenas fundo. O menor valor-p pré-teste observado foi 0,0011 para um candidato de baixa significância (S231025a), o qual, após considerar os testes realizados sobre o conjunto completo de dados, não mostrou evidência de uma coincidência real.
• Busca de Longa Duração: A busca estendida para os três candidatos específicos (duas fusões NSBH e um evento de baixa significância) também não rendeu emissão significativa.
• Limites Superiores: Para todos os eventos analisados, os autores estabeleceram limites de confiança de 90% para o fluxo de neutrinos integrado no tempo e para a energia isotrópica equivalente ($E_{iso}$) emitida em neutrinos de alta energia. Estes limites assumem emissão isotrópica e um espectro de lei de potência. Os limites de $E_{iso}$ são calculados sobre a faixa de energia de 500 GeV a 50 PeV.
• Seguimento de Evento Específico: O evento S230904n, uma provável fusão BBH, foi seguido em tempo real. Embora um potencial contraparte (AT2023rkw) tenha sido identificado pelo Zwicky Transient Facility, a espectroscopia subsequente o identificou como uma supernova Tipo Ia, não relacionada ao evento de GW.

Significância e Alegações
O artigo alega que a adição dos 85 eventos de O4a quase dobra o número de eventos de GW candidatos analisados com estas buscas em comparação com corridas anteriores. A principal significância reside na demonstração de um framework de análise em tempo real robusto e de baixa latência, capaz de processar alertas de GW tanto significativos quanto de baixa significância. Os autores enfatizam que, embora nenhuma contraparte de neutrino tenha sido encontrada, a capacidade de realizar estas buscas em tempo real permite o seguimento imediato por outros observatórios, potencialmente aumentando a significância de futuros candidatos e refinando a localização. Os resultados também restringem modelos teóricos de produção de neutrinos em fusões de binários compactos ao estabelecer limites superiores rigorosos sobre a energia emitida em neutrinos de alta energia. Os autores observam que melhorias futuras na sensibilidade dos detectores de GW e a expansão planejada para o IceCube-Gen2 aumentarão as perspectivas de detectar tais coincidências.