Combined KM3NeT/ARCA and ANTARES search for compact neutrino sources

Resumo Técnico: Busca Combinada de Fontes de Neutrinos Compactos KM3NeT/ARCA e ANTARES

Problema e Objetivo
Este trabalho aborda a busca por neutrinos de alta energia originados de fontes astrofísicas pontuais. O objetivo principal é demonstrar o potencial de combinar dados de dois detectores de neutrinos distintos: o telescópio ANTARES (operacional ao largo de Toulon, França, de 2008 a 2022) e o detector KM3NeT/ARCA (atualmente em construção ao largo da Sicília). Ambos os instrumentos oferecem visibilidade otimizada para o Céu do Sul e o Centro Galáctico. A análise visa estabelecer uma estrutura de busca conjunta utilizando uma abordagem de verossimilhança por compartimentos (binned likelihood) para melhorar a sensibilidade e o potencial de descoberta em comparação com análises isoladas.

Metodologia
A análise utiliza um conjunto de dados combinado que compreende quatro componentes distintas:

1. Conjunto de Dados de Tracks do ANTARES: 4541 dias de tempo de vida (livetime), divididos em conjuntos de tracks e showers não sobrepostos.
2. Conjunto de Dados de Showers do ANTARES: Incluído na divisão de 4541 dias.
3. ARCA19 Tracks: Eventos do tipo track provenientes do KM3NeT/ARCA com 19 linhas de detecção (48,4 dias).
4. ARCA21 Tracks: Eventos do tipo track provenientes do KM3NeT/ARCA com 21 linhas de detecção (287,4 dias).

Definições: "Tracks" referem-se a eventos envolvendo a produção de múons, enquanto "Showers" são induzidas por interações de corrente neutra de todos os sabores de neutrinos e interações de corrente carregada de neutrinos eletrônicos.

Estrutura Estatística
A análise emprega uma abordagem de verossimilhança por compartimentos (binned likelihood). O histograma de eventos observados ($N$) é comparado contra uma estimativa de sinal escalável ($S$) baseada em um fluxo de referência ($\Phi_0 = 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$) e uma estimativa de fundo ($B$). A função de verossimilhança é definida como:
$$\ln L = \sum_{i}^{N_{bins}} N_i \ln(B_i + \zeta S_i) - (B_i + \zeta S_i)$$
onde $\zeta$ é o parâmetro de intensidade do sinal. A estatística de teste $\lambda$ é a razão de log-verossimilhança entre a melhor intensidade de sinal ajustada ($\hat{\zeta}$) e a hipótese de apenas fundo ($\zeta=0$).

• Potencial de Descoberta: Definido como a intensidade do sinal ($\zeta_{5\sigma}$) necessária para alcançar um excesso de $5\sigma$ em 50% dos pseudo-experimentos.
• Sensibilidade: Definida como o limite superior mediano de nível de confiança (CL) de 90% para $\zeta$, calculado usando a abordagem de Neyman.

Modelagem de Fundo e Incertezas Sistemáticas
Para abordar as incertezas sistemáticas relacionadas à modelagem do fundo, quatro casos de análise independentes foram realizados através de bandas de declinação:

• Caso 1: O fundo do ARCA é inteiramente baseado em dados; a geração do ANTARES é baseada em dados, a avaliação é via Monte Carlo (MC).
• Caso 2: Semelhante ao Caso 1, mas os dados de geração de fundo do ANTARES são randomizados (distribuição azimutal uniforme).
• Caso 3: Todos os conjuntos de dados utilizam o algoritmo DEFT para estimativa de fundo tanto na geração quanto na avaliação.
• Caso 4: O ARCA é baseado em dados; o ANTARES é inteiramente baseado em MC.

A dispersão dos resultados através destes quatro casos define a banda de incerteza sistemática. Os histogramas são construídos em termos de distância angular ($\log_{10} \alpha$), energia reconstruída ($\log_{10} E$) e, para os tracks do ANTARES, estimativa de erro angular ($\log_{10} \beta$).

Principais Resultados
A análise assume um espectro de energia $E^{-2}$ e uma razão de sabor 1:1:1.

• Melhoria de Desempenho: Embora os dados do ANTARES impulsionem significativamente os resultados da análise conjunta, a combinação com os dados do ARCA melhora o desempenho em aproximadamente 10% em relação à análise isolada do ANTARES.
• Fonte Candidata MG3 J225517+2409: Esta fonte rendeu o menor p-valor pré-teste de $(1,2 \pm 0,4) \cdot 10^{-4}$, correspondendo a uma significância de $(3,69 \pm 0,09)\sigma$.
  • Fluxo ajustado: $E^2\phi = (1,39 \pm 0,02) \cdot 10^{-8} \text{ GeV cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$.
  • Probabilidade pós-teste: Calculada via fórmula binomial como $0,013 \pm 0,004$ ($(2,26 \pm 0,13)\sigma$). Uma abordagem baseada em simulação rendeu um p-valor pós-teste de $0,018 \pm 0,006$ ($(2,12 \pm 0,14)\sigma$).
  • Uma estimativa pós-teste simplificada, considerando a seleção inicial de 1255 objetos e a subsequente redução do catálogo, sugere uma probabilidade de $\approx 0,1$ para observar tal candidata.
• Outras Candidatas: A análise também avaliou outras fontes conhecidas, incluindo 3C403 ($p \approx 1,5 \cdot 10^{-3}$) e TXS 0506+056, fornecendo limites superiores de 90% CL para um catálogo de 106 fontes.
• Mapa do Céu: O mapa do céu próximo a MG3 J225517+2409 mostra que um evento do ARCA21 possui uma caixa de erro que inclui a localização da fonte, com uma verossimilhança de sinal 6,3 vezes maior do que o cenário de apenas fundo.

Significância e Alegações
O artigo afirma demonstrar a viabilidade e o potencial de uma análise combinada entre ANTARES e KM3NeT/ARCA. Estabelece que, embora os resultados atuais sejam dominados pelo conjunto de dados maduro do ANTARES, a integração dos dados do ARCA proporciona uma melhoria mensurável na sensibilidade. Os autores observam que, à medida que o KM3NeT/ARCA cresce em tamanho e exposição, espera-se que atinja os níveis de desempenho do ANTARES dentro de alguns anos, tornando a análise conjunta de dados cada vez mais crítica para descobertas futuras. O trabalho fornece uma estrutura para lidar com incertezas sistemáticas através de múltiplas estratégias de modelagem de fundo e estabelece limites superiores para uma ampla gama de candidatos astrofísicos.