Chasing prompt muons

Abstract

The atmospheric muon flux provides a powerful probe of TeV-to-PeV hadronic interactions in air showers and offers unique access to particle production in the forward kinematic region that is not accessible at collider experiments. While the conventional flux from pion and kaon decays is comparatively well understood, the prompt component, dominated by decays of charmed hadrons, lacks precise experimental constraints at the highest energies. The atmospheric muon flux is also a dominant background for astroparticle analyses, in particular searches for astrophysical neutrino sources. This thesis presents a measurement of the atmospheric muon flux, including its prompt component, using 12.12 years of data from the IceCube Neutrino Observatory. The muon energy spectrum is unfolded to surface level in the range 10 TeV to 15 PeV, extending previous IceCube measurements by roughly an order of magnitude in energy. A key contribution of this work is a machine learning-based reconstruction of the energy of the leading muon (the most energetic muon within a bundle), increasing sensitivity to the spectral differences between conventional and prompt components. New CORSIKA simulations were produced to tag muons of prompt or conventional origin, and a dedicated event selection was developed for this analysis. The unfolded flux is compared with MCEq and CORSIKA predictions for several combinations of primary cosmic-ray and hadronic interaction models. Among the models considered here, the MCEq prediction using the GlobalSplineFit primary cosmic-ray model together with SIBYLL 2.3c provides the best agreement with the high-energy unfolded flux. For this prediction, the prompt atmospheric muon flux is observed with a significance of 4.4 sigma. Several models have been tested and prompt and conventional normalizations are determined, with most fits exceeding 5 sigma. The results provide new experimental constraints on forward charm production in air showers and will contribute to ongoing investigations of the muon deficit in air shower experiments.Der atmosphärische Myonenfluss ermöglicht es, die Teilchenproduktion in hochenergetischen hadronischen Wechselwirkungen in Luftschauern im kinematischen Vorwärtsbereich zu untersuchen, der für Kolliderexperimente nicht zugänglich ist. Während der konventionelle Fluss aus Pion- und Kaonzerfällen vergleichsweise gut verstanden ist, fehlt es für die prompte Komponente, die durch Zerfälle von charmhaltigen Hadronen dominiert wird, an präzisen Messungen bei den höchsten Energien. Der atmosphärische Myonenfluss ist zudem der dominierende Untergrund für Analysen in der Astroteilchenphysik, insbesondere für die Suche nach astrophysikalischen Neutrinoquellen. Diese Arbeit präsentiert eine Messung des atmosphärischen Myonenflusses, einschließlich seiner prompten Komponente, unter Verwendung von 12,12 Jahren an Daten des IceCube Neutrino Observatoriums. Das Myonenenergiespektrum wird an die Oberfläche im Energiebereich von 10 TeV bis 15 PeV entfaltet und erweitert damit frühere IceCube-Myonenflussmessungen um etwa eine Größenordnung in Energie. Ein zentraler Beitrag ist eine neuartige, auf maschinellem Lernen basierende Rekonstruktion zur Bestimmung der Energie des führenden Myons (des höchstenergetischen Myons innerhalb eines Bündels), die die Sensitivität auf spektrale Unterschiede zwischen konventioneller und prompter Komponente erhöht. Ergänzend wurden neue CORSIKA-Simulationen zur Zuordnung von Myonen zu promptem bzw. konventionellem Ursprung sowie eine dedizierte Ereignisselektion für diese Analyse entwickelt. Die entfalteten Ergebnisse werden mit MCEq- und CORSIKA-Vorhersagen für mehrere Kombinationen aus Modellen der primären kosmischen Strahlung und der hadronischen Wechselwirkungen verglichen. Unter den in dieser Arbeit betrachteten Modellen zeigt die MCEq-Vorhersage mit dem GlobalSplineFit-Modell in Kombination mit SIBYLL 2.3c die beste Übereinstimmung mit dem hochenergetischen entfalteten Fluss. Für dieses Referenzmodell wird die prompte Komponente mit einer Signifikanz von 4,4 sigma nachgewiesen. Mehrere Modelle wurden getestet und die Normierungen der prompten und konventionellen Komponenten bestimmt, wobei die meisten Fits 5 sigma überschreiten. Die Ergebnisse liefern neue experimentelle Einschränkungen für die Charm-Produktion im Vorwärtsbereich bei den höchsten Energien und werden zur Untersuchungen des Myondefizits in Luftschauerexperimenten beitragen.