Search for astrophysical tau neutrinos using 7.5 years of IceCube data

Abstract

Astrophysical tau neutrinos are the last unidentified standard model messenger in astroparticle physics. Their identification can open new windows to neutrino physics, improve knowledge about cosmic neutrino sources and even test physics beyond the standard model. This work aims to constrain the tau neutrino component in the astrophysical neutrino flux observed by the IceCube Neutrino Observatory. Due to neutrino oscillations over cosmic baselines, a significant fraction of tau neutrinos is expected regardless of the exact neutrino production scenario at cosmic sources. The IceCube detector instruments a volume of 1 km3 to detect neutrinos interacting with the glacial ice at the South Pole at a depth between 1450 m and 2450 m. This is achieved by 5160 digital optical modules (DOMs), each equipped with a photomultiplier tube detecting Cherenkov light produced by secondary particles from neutrino interactions. In this dissertation, a new tau neutrino identification method is developed using state-of-the-art machine learning techniques to increase the expected tau neutrino event rate by a factor of 2.5 over previous work. Tau neutrinos are identified by the so-called double pulse signature, where two charge depositions can be observed in the waveform recorded in a single IceCube DOM: the first from the hadronic cascade induced by the neutrino interaction; the second one from a non-muonic decay of the produced tau lepton. This signature can be resolved by IceCube at energies above roughly 100 TeV. IceCube data recorded from 2011 to 2018 is analyzed and two tau neutrino candidates are observed. The astrophysical tau neutrino flux normalization is measured with a binned Poisson likelihood fit and the flux is observed to be 0.44+0.78 −0.31 10−18 GeV−1 cm−2 s−1 sr−1 at 100 TeV for an astrophysical spectral index of 𝛾 = 2.19. The observation is found to be incompatible with the non-observation of a tau neutrino flux at a significance of 1.9𝜎.

Astrophysikalische Tau-Neutrinos sind das letzte nicht identifizierte Botenteilchen des Standardmodells in der Astroteilchenphysik. Ihre Identifikation kann neue Türen zur Neutrinophysik öffnen, das Wissen über kosmische Neutrinoquellen maßgeblich verbessern und sogar Physik jenseits des Standardmodells testen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Tau-Neutrino-Komponente des vom IceCube-Neutrino- Observatoriums nachgewiesenen astrophysikalischen Neutrinoflusses. Unabhängig von den genauen Prozessen der Neutrinoproduktion in kosmischen Quellen wird auf der Erde aufgrund von Neutrino-Oszillationen über kosmische Distanzen ein signifikanter Anteil an Tau-Neutrinos erwartet. Der IceCube-Detektor instrumentiert ein Volumen von 1 km3 um Neutrinos zu detektieren, die im Eis am Südpol in einer Tiefe von 1450 m bis 2450 m wechselwirken. Die 5160 digitalen optischen Module (DOMs) sind jeweils mit einem Photomultiplier ausgestattet, die Cherenkov-Strahlung, die durch Sekundärteilchen der Neutrinowechselwirkung enstehen, detektieren. In dieser Dissertation wurde eine neue Methode zur Identifizierung von Tau-Neutrino- Ereignissen entwickelt, die sich auf moderne Methoden des maschinellen Lernens stützt und die erwartete Tau-Neutrino-Ereignisrate im Vergleich zu vorherigen Arbeiten um einen Faktor 2.5 erhöht. Tau-Neutrinos werden über die sogenannte Doppel-Puls-Signatur identifiziert. Dabei werden zwei Ladungsdepositionen innerhalb eines IceCube-DOMs beobachtet: Die erste stammt von der hadronischen Kaskade der Neutrino-Wechselwirkung und die zweite wird durch den nichtmyonischen Zerfall des entstandenen Tau-Leptons erzeugt. Eine Signatur dieser Art kann von IceCube bei Energien oberhalb von 100 TeV aufgelöst werden. Die in dieser Arbeit analysierten Daten wurden zwischen 2011 und 2018 mit dem IceCube- Detektor aufgezeichnet und es wurden zwei Tau-Neutrino-Kandidaten gefunden. Die Normierung des astrophysikalischen Tau-Neutrino-Flusses wurde über einen gebinnten Poisson-Likelihood-Ansatz für einen spektralen Index von 𝛾 = 2.19 zu 0.44+0.78 −0.31 10−18 GeV−1 cm−2 s−1 sr−1 bei 100 TeV bestimmt. Diese Beobachtung ist mit einer Signifikanz von 1.9𝜎 inkompatibel mit einem nicht vorhandenen Fluss von Tau-Neutrinos.