Search for an all-sky and a Galactic Ridge diffuse neutrino emission with the first 2 years of KM3NeT/ARCA data

Resumo Técnico: Busca por Emissão de Neutrinos Difusa de Todo o Céu e da Crista Galáctica com KM3NeT/ARCA

Problema e Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é buscar um fluxo difuso de neutrinos astrofísicos utilizando os primeiros dois anos de dados do detector KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). A análise visa duas regiões distintas: o céu completo (todo o céu) e a Crista Galáctica (definida pelas coordenadas galácticas $|l| < 30^\circ$ e $|b| < 2^\circ$). Embora experimentos anteriores como IceCube e ANTARES tenham estabelecido a existência de um fluxo difuso de neutrinos de alta energia e fornecido restrições sobre contribuições galácticas, o KM3NeT oferece vantagens únicas devido à sua localização no Hemisfério Norte, permitindo a observação com precisão angular de subgraus do centro galáctico. O estudo visa avaliar independentemente potenciais excessos nessas regiões, determinar os valores de melhor ajuste para os parâmetros do fluxo de sinal sob uma suposição de lei de potência única e avaliar a contribuição relativa da emissão galáctica para o fluxo difuso cósmico.

Metodologia
A análise utiliza dados coletados de quatro configurações de detector (ARCA6, ARCA8, ARCA19 e ARCA21), correspondendo a um tempo de vida total de 640 dias. O detector consiste em cordas verticais de Módulos Ópticos Digitais (DOMs) ancoradas ao leito marinho, otimizadas para a faixa de energia de TeV–PeV.

• Reconstrução e Seleção de Eventos: A análise foca em eventos do tipo trilha (track-like), resultantes principalmente de interações de corrente carregada $\nu_\mu$. Um algoritmo de reconstrução de múltiplos estágios determina a direção de chegada e a energia dos múons. Uma seleção preliminar suprime o ruído aleatório e seleciona eventos ascendentes (ângulo zenital $> 84^\circ$) para rejeitar múons atmosféricos.
• Rejeição de Background: Para purificar ainda mais a amostra, um classificador de Árvore de Decisão Potencializada (Boosted Decision Tree - BDT) é empregado. Dois modelos de BDT separados foram otimizados para diferentes configurações de detector (ARCA6/8 e ARCA19/21) usando o pacote ROOT TMVA. O treinamento e a otimização foram realizados exclusivamente em simulações de Monte Carlo (MC) para manter uma estratégia de análise cega, com 10% dos dados reservados como amostra de controle.
• Estrutura Estatística:
  • Análise de Todo o Céu: O background é estimado usando simulações de MC de múons e neutrinos atmosféricos. Uma abordagem Bayesiana é usada para ajustar a normalização do fluxo ($\phi_0$) e o índice espectral ($\gamma$), incorporando priors Gaussianos para incertezas sistemáticas (eficiência de PMT, comprimento de absorção de luz e normalização do fluxo atmosférico). Uma análise frequentista usando $\chi^2$ de Poisson é também apresentada para validação cruzada.
  • Análise da Crista Galáctica: Uma abordagem independente de modelo e baseada em dados é utilizada. A região de sinal (região ON) é comparada contra regiões de controle (regiões OFF) obtidas através do deslocamento temporal da região ON em ascensão reta. Este método aproveita a rotação da Terra para garantir condições instrumentais equivalentes para a estimativa de background sem depender de normalizações de background de MC.
• Incertezas Sistemáticas: As principais incertezas sistemáticas consideradas incluem eficiência de PMT ($\pm 10\%$), comprimento de absorção de luz na água ($\pm 10\%$) e normalização do fluxo atmosférico ($\pm 40\%$ para a análise de todo o céu).

Principais Resultados

• Fluxo Difuso de Todo o Céu:
  • A análise produz uma normalização de fluxo de neutrino astrofísico de sabor único de melhor ajuste de $\phi_{0}^{1f} = 3.0^{+2.1}_{-2.0} \times 10^{-18} \text{ GeV}^{-1} \text{ cm}^{-2} \text{ s}^{-1} \text{ sr}^{-1}$ e um índice espectral de $\gamma = 3.00^{+0.30}_{-0.35}$ ao nível de credibilidade de 68%.
  • A normalização do background atmosférico foi encontrada consistente com $1.53 \pm 0.24$, indicando que a simulação de MC subestima a contribuição de neutrinos atmosféricos para as configurações de detector maiores (ARCA19 e ARCA21).
  • Nenhum excesso estatisticamente significativo de eventos de neutrinos cósmicos foi observado. Consequentemente, limites superiores de nível de confiança (C.L.) de 90% foram derivados. Estes limites são consistentes com e competitivos em relação a medições anteriores do IceCube e ANTARES.
• Crista Galáctica:
  • O número de eventos observados na região ON é consistente com as estimativas de background derivadas das regiões OFF.
  • O ajuste não fornece parâmetros restritos para o fluxo ou índice espectral devido à falta de um sinal significativo.
  • Limites superiores para o fluxo difuso da Crista Galáctica foram derivados e comparados com resultados de ANTARES e IceCube. Os resultados são compatíveis com restrições anteriores, mas não confirmam o excesso de sinal relatado pelo ANTARES.

Significância e Alegações
O artigo afirma que, embora o conjunto de dados atual (640 dias) não produza detecções estatisticamente significativas nem para as análises de todo o céu nem para a Crista Galáctica, este trabalho estabelece uma fundação crítica para a colaboração KM3NeT. O autor afirma que os métodos desenvolvidos, incluindo a seleção baseada em BDT e a estimativa de background baseada em dados para a Crista Galáctica, fornecem uma "base sólida para medições futuras".

A significância dos resultados reside em demonstrar que o KM3NeT/ARCA pode produzir medições de fluxo difuso competitivas mesmo com configurações parciais de detector (6 a 21 Unidades de Detecção ativas). O autor enfatiza que o aumento esperado na exposição, impulsionado por tempos de vida mais longos e pela expansão adicional do detector, aumentará significativamente a sensibilidade tanto para emissões de todo o céu quanto para emissões espacialmente localizadas, particularmente para fontes no céu do sul e ao longo do plano galáctico. O trabalho serve como uma validação do pipeline de análise e do desempenho do detector antes da conclusão do arranjo completo de quilômetro cúbico.