e-Article
Exploration of mass splitting and muon/tau mixing parameters for an eV-scale sterile neutrino with IceCube
Document Type
Working Paper
Author
Abbasi, R.; Ackermann, M.; Adams, J.; Agarwalla, S. K.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Alameddine, J. M.; Amin, N. M.; Andeen, K.; Argüelles, C.; Ashida, Y.; Athanasiadou, S.; Ausborm, L.; Axani, S. N.; Bai, X.; V., A. Balagopal; Baricevic, M.; Barwick, S. W.; Bash, S.; Basu, V.; Bay, R.; Beatty, J. J.; Tjus, J. Becker; Beise, J.; Bellenghi, C.; Benning, C.; BenZvi, S.; Berley, D.; Bernardini, E.; Besson, D. Z.; Blaufuss, E.; Bloom, L.; Blot, S.; Bontempo, F.; Motzkin, J. Y. Book; Meneguolo, C. Boscolo; 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. El; 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.; Fukami, S.; 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.; Minh, M. Ha; 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.; Jain, S.; 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.; Zathul, A. Khatee; 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. Lagunas; Lamoureux, M.; Larson, M. J.; Latseva, S.; Lauber, F.; Lazar, J. P.; Lee, J. W.; DeHolton, K. Leonard; Leszczyńska, A.; Liao, J.; Lincetto, M.; Liu, Y. T.; Liubarska, M.; Love, C.; Mariscal, C. J. Lozano; Lu, L.; Lucarelli, F.; Luszczak, W.; Lyu, Y.; Madsen, J.; Magnus, E.; Mahn, K. B. M.; Makino, Y.; Manao, E.; Mancina, S.; Sainte, W. Marie; 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. Obertacke; O'Dell, V.; Oeyen, B.; Olivas, A.; Orsoe, R.; Osborn, J.; O'Sullivan, E.; Palusova, V.; Pandya, H.; Park, N.; Parker, G. K.; Paudel, E. N.; Paul, L.; Heros, C. Pérez de los; Pernice, T.; Peterson, J.; Philippen, S.; Pizzuto, A.; Plum, M.; Pontén, A.; Popovych, Y.; Rodriguez, M. Prado; 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.; Savelberg, J.; Savina, P.; Schaile, P.; Schaufel, M.; Schieler, H.; Schindler, S.; Schlickmann, L.; 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. Sevle; 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.; Elorrieta, M. A. Unland; 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.
Source
Subject
Language
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 $\nu_\mu+\overline{\nu}_\mu$ 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 ($\Delta m_{41}^2$), the mixing matrix element connecting muon flavor to the fourth mass state ($|U_{\mu4}|^2$), and the element connecting tau flavor to the fourth mass state ($|U_{\tau4}|^2$). 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 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: $ 2.4\,\mathrm{eV}^{2} < \Delta m_{41}^2 <9.6\,\mathrm{eV}^{2} $ , $0.0081 < |U_{\mu4}|^2 < 0.10$ , and $|U_{\tau4}|^2< 0.035$, which narrows the allowed parameter-space for $|U_{\tau4}|^2$. However, the primary result of this analysis is the first map of the 3+1 parameter space exploring the interdependence of $\Delta m_{41}^2$, $|U_{\mu4}|^2$, and $|U_{\tau4}|^2$.