Exploration of mass splitting and muon/tau mixing parameters for an eV-scale sterile neutrino with IceCube

Abbasi, R.; Hill, G. C.; Koirala, R.; Schneider, J.; Shah, R.; Sandrock, A.; Conrad, J. M.; Spannfellner, C.; Huber, T.; Procter-Murphy, R.; Sommani, G.; Przybylski, G. T.; Yildizci, E.; Snihur, R.; Seunarine, S.; Finley, C.; Moore, R. W.; Rawlins, K.; Kamp, N.; Jin, M.; Hymon, K.; Amin, N. M.; Weyrauch, M.; Haack, C.; Vaidyanathan, A.; Bash, S.; Thompson, W. G.; Ahlers, M.; Montaruli, T.; Schröder, F. G.; Naumann, U.; Necker, J.; Pernice, T.; Vannerom, D.; Thwaites, J.; Nakos, M.; Ruohan, L.; Ruhe, T.; Diaz, A.; Kozynets, T.; Burley, R. T.; Makino, Y.; Lyu, Y.; Ryckbosch, D.; Lincetto, M.; Robertson, S.; Seo, M.; Rhode, W.; Katz, U.; Butterfield, D.; Unland Elorrieta, M. A.; Bloom, L.; Niederhausen, H.; Dutta, K.; Beise, J.; Kiryluk, J.; Soldin, P.; Schindler, S.; Jansson, M.; Griswold, S.; Morse, R.; Santander, M.; Domi, A.; Alameddine, J. M.; Agarwalla, S. K.; Wolf, M.; Koundal, P.; Sarkar, S.; Soedingrekso, J.; Thiesmeyer, M.; Roberts, E. J.; Jeong, M.; Fazely, A. R.; Schlüter, F.; Mechbal, S.; van Santen, J.; Krupczak, E.; Ehrhardt, T.; Collin, G. H.; Vereecken, M.; Gutjahr, P.; Spiering, C.; O'Dell, V.; Myhr, P. Sevle; Japaridze, G. S.; Upadhyay, A. K.; Karg, T.; Caracas, I.; Parker, G. K.; Madsen, J.; Kumar, A.; Merckx, Y.; Lazar, J. P.; Heuermann, L.; Tilav, S.; Sainte, W. Marie; Deng, S.; Spiczak, G. M.; Raab, C.; Lucarelli, F.; Pries, B.; Latseva, S.; Resconi, E.; Wendt, C.; Veitch-Michaelis, J.; Balagopal, V. A.; Kelley, J. L.; Lohfink, E.; Ganster, E.; Dittmer, M.; Krishnamoorthi, J.; Baricevic, M.; Pandya, H.; Bontempo, F.; Micallef, J.; Engel, R.; Hickford, S.; Silva, M.; Bay, R.; Blot, S.; Stamatikos, M.; Aguilar, J. A.; Kardum, L.; Shimizu, N.; Halzen, F.; Bellenghi, C.; Liu, Y. T.; Andeen, K.; Schumacher, L.; Kolanoski, H.; Luszczak, W.; McNally, F.; Hünnefeld, M.; Reichherzer, P.; Adams, J.; Sclafani, S.; Ellinger, E.; Khatee Zathul, A.; Mayhew, F.; Ha Minh, M.; Schlüter, B.; Medina, A.; Stezelberger, T.; Maruyama, R.; Draper, L.; Gualda, C. Lagunas; Sullivan, G. W.; Rehman, A.; Søgaard, A.; Grant, D.; Chirkin, D.; Schaufel, M.; Riedel, B.; Argüelles, C.; Morii, Y.; Kappesser, D.; Coppin, P.; Twagirayezu, J. P.; Rodriguez, M. Prado; Köpke, L.; Upshaw, K.; Hatch, P.; Varsi, F.; Gries, O.; Griffin, S.; Kopper, C.; Taboada, I.; Smithers, B.; Campana, M. A.; Mitchell, J.; Klein, S. R.; Hidvegi, A.; Hermannsgabner, J.; Lad, N.; Kurahashi, N.; Karle, A.; Marka, Z.; Novikov, A.; Lamoureux, M.; Groth, K. M.; Savelberg, J.; DeLaunay, J. J.; Chau, N.; Peterson, J.; Oeyen, B.; Bernardini, E.; Katil, A.; Kang, X.; Berley, D.; Chattopadhyay, S.; Neste, L.; Bai, X.; Hussain, R.; Schmeisser, N.; Hardin, J.; Roellinghoff, G.; Ter-Antonyan, S.; Rack-Helleis, J.; Leonard DeHolton, K.; Young, R.; Correa, P.; Lu, L.; Karl, M.; de Vries, K. D.; Fox, D.; Mentawi, S. El; Kang, W.; Rechav, Z.; Olivas, A.; Dave, P.; Mukherjee, T.; Handt, M.; Motzkin, J. Y. Book; Eimer, A.; Zimmerman, M.; Zhelnin, P.; IceCube Collaboration; Skrzypek, B.; Janik, O.; Wrede, G.; Hellrung, J.; Harnisch, A. A.; Lee, J. W.; Lauber, F.; Ausborm, L.; Gerhardt, L.; Reusch, S.; Meier, M.; Salazar-Gallegos, D.; Haungs, A.; Yu, S.; Boscolo Meneguolo, C.; Hostert, M.; Braun, J.; Goswami, S.; Hori, S.; Clark, B. A.; Stanev, T.; Eller, P.; Safa, I.; Paul, L.; BenZvi, S.; DeYoung, T.; Gallagher, J.; Negi, A.; Orsoe, R.; Girard-Carillo, C.; de Wasseige, G.; Shefali, S.; Granados, A.; Garcia, A.; Botner, O.; Häußler, J.; Wiebusch, C. H.; Becker Tjus, J.; Witthaus, L.; Hanson, K.; Savina, P.; Athanasiadou, S.; Xu, X. W.; Garg, G.; Halve, L.; Vijai, A.; Nisa, M. U.; Valtonen-Mattila, N.; Erpenbeck, H.; Marka, S.; Farrag, K.; Zilberman, P.; Corley, R.; Hultqvist, K.; Fedynitch, A.; Noda, K.; Williams, D. R.; Stuttard, T.; Evenson, P. A.; Schmidt, T.; Pizzuto, A.; Hoshina, K.; Magnus, E.; Kowalski, M.; Fürst, P.; van Eijndhoven, N.; Böttcher, J.; Feigl, N.; Chen, Z.; Rott, C.; Zhang, Z.; Hou, W.; Choi, S.; Connolly, A.; Axani, S. N.; Barwick, S. W.; Mead, J. V.; Yuan, T.; Manao, E.; Rongen, M.; Kovacevich, M.; Günther, C.; Trettin, A.; Martinez-Soler, I.; Carloni, K.; Soldin, D.; Vandenbroucke, J.; Terliuk, A.; Brusa, L.; Carpio, J.; Ackermann, Markus; Nagai, R.; Schaile, P.; Yanez, J. P.; Gray, S. J.; Werthebach, J.; Kun, E.; O'Sullivan, E.; Whitehorn, N.; Kappes, A.; Desiati, P.; DuVernois, M. A.; Lozano Mariscal, C. J.; Coleman, A.; Weaver, C.; Weigel, P.; Neumann, M.; Meagher, K.; Veske, D.; Kang, D.; Turcotte, R.; Heyer, N.; Eidenschink, L.; Wolf, A.; Cowen, D. F.; Fischer, L.; Plum, M.; Mahn, K. B. M.; Jones, B. J. P.; Philippen, S.; De Clercq, C.; Benning, C.; Hamdaoui, H.; Desai, A.; Hill, C.; Ha, C.; Rifaie, A.; Genton, E.; Vara, J.; Osborn, J.; Love, C.; Saffer, J.; Rodan, S.; Fang, K.; Toscano, S.; Gonzalez, J. G.; Dierichs, P.; Yoshida, S.; Venugopal, M.; Naab, R.; Díaz-Vélez, J. C.; Fan, K. L.; Schieler, H.; Koskinen, D. J.; Liao, J.; Rosted, A.; Iwakiri, W.; Beatty, J. J.; Franckowiak, A.; Liubarska, M.; Ashida, Y.; Brinson, B.; Evans, J.; Brostean-Kaiser, J.; Tönnis, C.; Popovych, Y.; Khanal, M.; Elsässer, D.; Moulai, M.; Kheirandish, A.; Hallgren, A.; Tosi, D.; Mancina, S.; Blaufuss, E.; Stürwald, T.; Paudel, E. N.; Böser, S.; Ravn, M.; Larson, M. J.; Jacquart, M.; Merten, L.; Sampathkumar, P.; Kruiswijk, K.; Walck, C.; Seikh, M.; Tollefson, K.; Pollmann, A. Obertacke; Ishihara, A.; Kochocki, A.; Kontrimas, T.; Hoffman, K. D.; Helbing, K.; Mariş, I. C.; Kauer, M.; de los Heros, C. Pérez; Basu, V.; Fukami, S.; Park, N.; Marsee, M.; Weldert, J.; Ghadimi, A.; Pontén, A.; Glaser, C.; Wen, A. Y.; Delgado, D.; Wang, A.; Dujmovic, H.; Besson, D. Z.; Noell, A.; Leszczyńska, A.; Glüsenkamp, T.; Seckel, D.; Garcia, M.; Weindl, A.; Fiedlschuster, S.; Verpoest, S.

Preprint

PUBDB-2024-07348

Exploration of mass splitting and muon/tau mixing parameters for an eV-scale sterile neutrino with IceCube

Abbasi, R. ; Ackermann, M.DESY* ; Adams, J. ; Agarwalla, S. K. ; Aguilar, J. A. ; Ahlers, M. ; Alameddine, J. M. ; Amin, N. M. ; Andeen, K. ; Argüelles, C. ; Ashida, Y. ; Athanasiadou, S.DESY* ; Ausborm, L. ; Axani, S. N. ; Bai, X. ; Balagopal, V. A. ; Baricevic, M. ; Barwick, S. W. ; Bash, S. ; Basu, V. ; Bay, R. ; Beatty, J. J. ; Becker Tjus, J. ; Beise, J. ; Bellenghi, C. ; Benning, C. ; BenZvi, S. ; Berley, D. ; Bernardini, E. ; Besson, D. Z. ; Blaufuss, E. ; Bloom, L. ; Blot, S.DESY* ; Bontempo, F. ; Motzkin, J. Y. B. ; Boscolo Meneguolo, C. ; Böser, S. ; Botner, O. ; Böttcher, J. ; Braun, J. ; Brinson, B. ; Brostean-Kaiser, J. ; Brusa, L. ; Burley, R. T. ; Butterfield, D. ; Campana, M. A. ; Caracas, I. ; Carloni, K. ; Carpio, J. ; Chattopadhyay, S. ; Chau, N. ; Chen, Z. ; Chirkin, D. ; Choi, S. ; Clark, B. A. ; Coleman, A. ; Collin, G. H. ; Connolly, A. ; Conrad, J. M. ; Coppin, P. ; Corley, R. ; Correa, P. ; Cowen, D. F. ; Dave, P. ; De Clercq, C. ; DeLaunay, J. J. ; Delgado, D. ; Deng, S. ; Desai, A. ; Desiati, P. ; de Vries, K. D. ; de Wasseige, G. ; DeYoung, T. ; Diaz, A. ; Díaz-Vélez, J. C. ; Dierichs, P. ; Dittmer, M. ; Domi, A. ; Draper, L. ; Dujmovic, H. ; Dutta, K. ; DuVernois, M. A. ; Ehrhardt, T. ; Eidenschink, L. ; Eimer, A. ; Eller, P. ; Ellinger, E. ; Mentawi, S. E. ; Elsässer, D. ; Engel, R. ; Erpenbeck, H. ; Evans, J. ; Evenson, P. A. ; Fan, K. L. ; Fang, K. ; Farrag, K. ; Fazely, A. R. ; Fedynitch, A. ; Feigl, N. ; Fiedlschuster, S. ; Finley, C. ; Fischer, L. ; Fox, D. ; Franckowiak, A.Extern* ; Fukami, S.DESY* ; Fürst, P. ; Gallagher, J. ; Ganster, E. ; Garcia, A. ; Garcia, M. ; Garg, G. ; Genton, E. ; Gerhardt, L. ; Ghadimi, A. ; Girard-Carillo, C. ; Glaser, C. ; Glüsenkamp, T. ; Gonzalez, J. G. ; Goswami, S. ; Granados, A. ; Grant, D. ; Gray, S. J. ; Gries, O. ; Griffin, S. ; Griswold, S. ; Groth, K. M. ; Günther, C. ; Gutjahr, P. ; Ha, C. ; Haack, C. ; Hallgren, A. ; Halve, L. ; Halzen, F. ; Hamdaoui, H. ; Ha Minh, M. ; Handt, M. ; Hanson, K. ; Hardin, J. ; Harnisch, A. A. ; Hatch, P. ; Haungs, A. ; Häußler, J. ; Helbing, K. ; Hellrung, J. ; Hermannsgabner, J. ; Heuermann, L. ; Heyer, N. ; Hickford, S. ; Hidvegi, A. ; Hill, C. ; Hill, G. C. ; Hoffman, K. D. ; Hori, S. ; Hoshina, K. ; Hostert, M. ; Hou, W. ; Huber, T. ; Hultqvist, K. ; Hünnefeld, M. ; Hussain, R. ; Hymon, K. ; Ishihara, A. ; Iwakiri, W. ; Jacquart, M. ; Janik, O. ; Jansson, M. ; Japaridze, G. S. ; Jeong, M. ; Jin, M. ; Jones, B. J. P. ; Kamp, N. ; Kang, D. ; Kang, W. ; Kang, X. ; Kappes, A. ; Kappesser, D. ; Kardum, L. ; Karg, T. ; Karl, M. ; Karle, A. ; Katil, A. ; Katz, U. ; Kauer, M. ; Kelley, J. L. ; Khanal, M. ; Khatee Zathul, A. ; Kheirandish, A. ; Kiryluk, J. ; Klein, S. R. ; Kochocki, A. ; Koirala, R. ; Kolanoski, H. ; Kontrimas, T. ; Köpke, L. ; Kopper, C. ; Koskinen, D. J. ; Koundal, P. ; Kovacevich, M. ; Kowalski, M. ; Kozynets, T. ; Krishnamoorthi, J. ; Kruiswijk, K. ; Krupczak, E. ; Kumar, A. ; Kun, E. ; Kurahashi, N. ; Lad, N. ; Gualda, C. L. ; Lamoureux, M. ; Larson, M. J. ; Latseva, S. ; Lauber, F. ; Lazar, J. P. ; Lee, J. W. ; Leonard DeHolton, K. ; Leszczyńska, A. ; Liao, J. ; Lincetto, M. ; Liu, Y. T. ; Liubarska, M. ; Lohfink, E. ; Love, C. ; Lozano Mariscal, C. J. ; Lu, L. ; Lucarelli, F. ; Luszczak, W. ; Lyu, Y. ; Madsen, J. ; Magnus, E. ; Mahn, K. B. M. ; Makino, Y. ; Manao, E. ; Mancina, S. ; Sainte, W. M. ; Mariş, I. C. ; Marka, S. ; Marka, Z. ; Marsee, M. ; Martinez-Soler, I. ; Maruyama, R. ; Mayhew, F. ; McNally, F. ; Mead, J. V. ; Meagher, K. ; Mechbal, S. ; Medina, A. ; Meier, M. ; Merckx, Y. ; Merten, L. ; Micallef, J. ; Mitchell, J. ; Montaruli, T. ; Moore, R. W. ; Morii, Y. ; Morse, R. ; Moulai, M. ; Mukherjee, T. ; Naab, R. ; Nagai, R. ; Nakos, M. ; Naumann, U. ; Necker, J. ; Negi, A. ; Neste, L. ; Neumann, M. ; Niederhausen, H. ; Nisa, M. U. ; Noda, K. ; Noell, A. ; Novikov, A. ; Pollmann, A. O. ; O'Dell, V. ; Oeyen, B. ; Olivas, A. ; Orsoe, R. ; Osborn, J. ; O'Sullivan, E. ; Pandya, H. ; Park, N. ; Parker, G. K. ; Paudel, E. N. ; Paul, L. ; de los Heros, C. P. ; Pernice, T. ; Peterson, J. ; Philippen, S. ; Pizzuto, A. ; Plum, M. ; Pontén, A. ; Popovych, Y. ; Rodriguez, M. P. ; Pries, B. ; Procter-Murphy, R. ; Przybylski, G. T. ; Raab, C. ; Rack-Helleis, J. ; Ravn, M. ; Rawlins, K. ; Rechav, Z. ; Rehman, A. ; Reichherzer, P. ; Resconi, E. ; Reusch, S. ; Rhode, W. ; Riedel, B. ; Rifaie, A. ; Roberts, E. J. ; Robertson, S. ; Rodan, S. ; Roellinghoff, G. ; Rongen, M. ; Rosted, A. ; Rott, C. ; Ruhe, T. ; Ruohan, L. ; Ryckbosch, D. ; Safa, I. ; Saffer, J. ; Salazar-Gallegos, D. ; Sampathkumar, P. ; Sandrock, A. ; Santander, M. ; Sarkar, S. ; Sarkar, S. ; Savelberg, J. ; Savina, P. ; Schaile, P. ; Schaufel, M. ; Schieler, H. ; Schindler, S. ; Schlüter, B. ; Schlüter, F. ; Schmeisser, N. ; Schmidt, T. ; Schneider, J. ; Schröder, F. G. ; Schumacher, L. ; Sclafani, S. ; Seckel, D. ; Seikh, M. ; Seo, M. ; Seunarine, S. ; Myhr, P. S. ; Shah, R. ; Shefali, S. ; Shimizu, N. ; Silva, M. ; Skrzypek, B. ; Smithers, B. ; Snihur, R. ; Soedingrekso, J. ; Søgaard, A. ; Soldin, D. ; Soldin, P. ; Sommani, G. ; Spannfellner, C. ; Spiczak, G. M. ; Spiering, C. ; Stamatikos, M. ; Stanev, T. ; Stezelberger, T. ; Stürwald, T. ; Stuttard, T. ; Sullivan, G. W. ; Taboada, I. ; Ter-Antonyan, S. ; Terliuk, A. ; Thiesmeyer, M. ; Thompson, W. G. ; Thwaites, J. ; Tilav, S. ; Tollefson, K. ; Tönnis, C. ; Toscano, S. ; Tosi, D. ; Trettin, A. ; Turcotte, R. ; Twagirayezu, J. P. ; Unland Elorrieta, M. A. ; Upadhyay, A. K. ; Upshaw, K. ; Vaidyanathan, A. ; Valtonen-Mattila, N. ; Vandenbroucke, J. ; van Eijndhoven, N. ; Vannerom, D. ; van Santen, J. ; Vara, J. ; Varsi, F. ; Veitch-Michaelis, J. ; Venugopal, M. ; Vereecken, M. ; Verpoest, S. ; Veske, D. ; Vijai, A. ; Walck, C. ; Wang, A. ; Weaver, C. ; Weigel, P. ; Weindl, A. ; Weldert, J. ; Wen, A. Y. ; Wendt, C. ; Werthebach, J. ; Weyrauch, M. ; Whitehorn, N. ; Wiebusch, C. H. ; Williams, D. R. ; Witthaus, L. ; Wolf, A. ; Wolf, M. ; Wrede, G. ; Xu, X. W. ; Yanez, J. P. ; Yildizci, E. ; Yoshida, S. ; Young, R. ; Yu, S. ; Yuan, T. ; Zhang, Z. ; Zhelnin, P. ; Zilberman, P. ; Zimmerman, M. ; IceCube Collaboration (Collaboration author)DESY*

2024

This record in other databases:

Report No.: arXiv:2406.00905

Abstract: We present the first three-parameter fit to a 3+1 sterile neutrino model using 7.634 years of data from the IceCube Neutrino Observatory on νμ+ν‾μ charged-current interactions in the energy range 500–9976 GeV. Our analysis is sensitive to the mass-squared splitting between the heaviest and lightest mass state (Δm412), the mixing matrix element connecting muon flavor to the fourth mass state (|Uμ4|2), and the element connecting tau flavor to the fourth mass state (|Uτ4|2). Predicted propagation effects in matter enhance the signature through a resonance as atmospheric neutrinos from the Northern Hemisphere traverse the Earth to the IceCube detector at the South Pole. The remaining sterile neutrino matrix elements are left fixed, with |Ue4|2=0 and δ14=0, as they have a negligible effect, and δ24=π is set to give the most conservative limits. The result is consistent with the no-sterile neutrino hypothesis with a probability of 4.3%. Profiling the likelihood of each parameter yields the 90% confidence levels: 2.4eV2<Δm412<9.6eV2, 0.0081<|Uμ4|2<0.10, and |Uτ4|2<0.035, which narrows the allowed parameter-space for |Uτ4|2. However, the primary result of this analysis is the first map of the 3+1 parameter space exploring the interdependence of Δm412, |Uμ4|2, and |Uτ4|2.

Keyword(s): neutrino: sterile ; neutrino: model ; neutrino: atmosphere ; IceCube ; neutrino/mu ; neutrino/tau ; neutrino: mixing ; neutrino: flavor ; observatory ; splitting ; neutrino: oscillation ; neutrino: mixing angle ; neutrino: mass difference ; charged current ; propagation ; pole ; signature ; statistical analysis ; data analysis method ; experimental results ; Atmospheric neutrino IceCube TeV oscillation sterile

Classification:

ddc:530

Note: Physics Letters B 858 (2024) 139077. 14 pages, 8 figures. Published in PLB Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics (HAP)

Contributing Institute(s):