Testing the neutrino mass ordering with IceCube DeepCore

Leuermann, Martin; Krämer, Michael; Wiebusch, Christopher

doi:10.18154/RWTH-2018-231554

Testing the neutrino mass ordering with IceCube DeepCore = Messung der Neutrino Massenordnung mit IceCube DeepCore

Leuermann, Martin^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Leuermann, M.Sc.

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xi, 177 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Krämer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231554
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/751704/files/751704.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DeepCore (frei) ; IceCube (frei) ; NMH (frei) ; NMO (frei) ; atmospheric neutrinos (frei) ; hierarchy (frei) ; neutrinos (frei) ; oscillations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Neutrino Massenordnung (NMO) beschreibt die energetische Anordnung der drei Neutrinomassen m1, m2 und m3. Nach heutigem Stand verbleiben zwei mögliche Anordnungen, wobei m3 entweder die schwerste oder die leichteste der drei Neutrinomassen ist, was als Normale (NO) und Invertierte Ordnung bezeichnet wird. Eine Möglichkeit zur Bestimmung der NMO ist die Messung von Materieeffekten in den Oszillationen atmosphärischer Neutrinos. In dieser Arbeit wird eine Analyse zur Bestimmung der Neutrino Massenordnung mit drei Jahren Daten von IceCube DeepCore entwickelt. Für die Bestimmung der Energie und der Ankunftsrichtung der Neutrino-Ereignisse wurde eine neue Ereignis-Rekonstruktion entwickelt, welche für die niedrigsten Energien eine exzellente Auflösung erreicht. Die Neutrino Massenordnung wird in einem maximum-likelihood Verfahren bestimmt, das systematische Unsicherheiten im atmosphärischen Fluss, in den Oszillationsparametern, in den Wechselwirkungen und in der Detektorantwort als Störparameter behandelt. Die experimentellen Daten präferieren die Normale über die Invertierte Ordnung mit p-Werten von 71.1% für NO (CLs = 83.0%) und 15.2% für IO (CLs = 53.3%). Dies deckt sich mit jüngsten Resultaten der NOvA, T2K und Super-Kamiokande Experimente. Darüber hinaus werden Materieeffekte (MA) gegenüber Vakuum-Oszillationen (VA) für beide Massenordnungen bevorzugt. Neben dem experimentellen Resultat stellt diese Arbeit eine wichtige Machbarkeitsstudie (proof-of-concept) für die Messung der Neutrino Massenordnung mit einer zukünftigen Niederenergie-Erweiterung von IceCube, wie z.B. PINGU, dar. Sie testet die vollständige Analyse-Kette, einschließlich der statistischen Interpretation der Resultate und der Behandlung systematischer Unsicherheiten, und ist damit eine wichtige Benchmark-Analyse für eine zukünftige, sensitivere Messung der NMO.

The Neutrino Mass Ordering (NMO) describes the energetic ordering of the three neutrino masses m1, m2 and m3. Today, the ordering is constrained up to the question of m3 being the heaviest or the lightest of all neutrino masses, which is commonly called Normal (NO) and Inverted Ordering (IO), respectively. One way to determine the NMO is to measure matter effects in the oscillation pattern of atmospheric neutrinos. In this work, an analysis of three years of DeepCore data is presented to test the Neutrino Mass Ordering. To do this, a new event reconstruction was developed in this work, which provides excellent resolutions in neutrino energy and zenith-angle at the lowest energies. The Neutrino Mass Ordering is fit in a maximum-likelihood method, which includes systematic uncertainties in the atmospheric fluxes, the oscillation parameters, the detector response and the neutrino-nucleon interactions as nuisance parameters in the likelihood fit. In experimental data, a preference for Normal over Inverted Ordering is found with p-values of 71.1% for NO (CLs = 83.0%) and 15.2% for IO (CLs = 53.3%). This is inline with recent observations of the NOvA, T2K and Super-Kamiokande experiments. Moreover, the fit prefers matter effects (MA) over vacuum oscillations (VA) in case of both ordering hypotheses. Besides the experimental result, this work provides a proof-of-concept for an analysis of the Neutrino Mass Ordering with a future low-energy extension of IceCube, such as PINGU. It tests the full analysis-chain, including the statistical interpretation of the experimental result and the understanding of systematic uncertainties. Thus, it provides a benchmark analysis for these more sensitive future measurements.

OpenAccess:
PDF
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