We evaluate the prompt atmospheric neutrino flux at high energies using three different frameworks for calculating the heavy quark production cross section in QCD: NLO perturbative QCD, k(T) factorization including low-x resummation, and the dipole model including parton saturation. We use QCD parameters, the value for the charm quark mass and the range for the factorization and renormalization scales that provide the best description of the total charm cross section measured at fixed target experiments, at RHIC and at LHC. Using these parameters we calculate differential cross sections for charm and bottom production and compare with the latest data on forward charm meson production from LHCb at 7TeV and at 13TeV, finding good agreement with the data. In addition, we investigate the role of nuclear shadowing by including nuclear parton distribution functions (PDF) for the target air nucleus using two different nuclear PDF schemes. Depending on the scheme used, we find the reduction of the flux due to nuclear effects varies from 10% to 50% at the highest energies. Finally, we compare our results with the IceCube limit on the prompt neutrino flux, which is already providing valuable information about some of the QCD models.

Orientador: Orlando Luis Goulart Peres / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-05T23:57:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gratieri_DiegoRossi_M.pdf: 1187066 bytes, checksum: ff3152f17c81f69ea53b5fdcfd2357be (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho buscamos entender o fenômeno de oscilações de neutrinos e como exemplo tentamos descrever os dados dos neutrinos atmosféricos Nossa motivação principal é descrever o excesso de eventos do tipo neutrino eletrônico encontrado nos dados do detector SuperKamiokande (SK)a baixas energias quando comparados com o formalismo de oscilação de sabores de neutrinos em duas gerações,o qual resolve o problema da assimetria up-down para os neutrinos atmosféricos do tipo muônico. Para isso generalizamos o modelo de oscilação de sabores para três gerações de neutrinos, abrindo dessa forma a possibilidade de oscilação entre o neutrino eletrônico e os demais sabores.Obtemos uma solução semianalítica para o problema nos valendo dos limites impostos pela fenomenologia de neutrinos para os parâmetros de oscilação,diferenças quadráticas de massas e ângulos de mistura. Além disso levamos em conta os efeitos de matéria atuando sobre o neutrino eletrônico quando este cruza o interior terrestre e tem seu padrão de oscilação alterado / Abstract: In this work we try to understand the phenomena of neutrino oscillations,and use this to describe more precisely the atmospheric neutrino data.Our main motivation is to describe the excess of events of electron-neutrino type found in the SuperKamiokande results at low energies when compared with the predictions of the two-generation neutrino oscillation which solves the problem of the up-down muon neutrino asymmetry very successfully To do this we generalize the oscillationmodel from two to three neutrino flavors,opening the possibility of oscillation between the electron neutrino type and the others.Then we obtain a semi-analytic solution of the three flavors problem using the neutrino phenomenological limits on oscillation parameters,squared masses differences and mixing angles.We also take into account matter effects on the electronic neutrino when it crosses the Earth and has it ¿s oscillation pattern changed. / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

Neutrinooszillationen sind ein sehr aktives Forschungsfeld. In den letzten Jahrzehnten haben viele Experimente das Phänomen untersucht und sind inzwischen zu Präazisionsmessungen vorangeschritten. Mit seiner Niederenergieerweiterung DeepCore kann das IceCube-Experiment zu diesem Forschungsfeld beitragen. IceCube ist ein 1 km^3 großes Tscherenkow-Neutrino-Teleskop, welches das tiefe, antarktische Eis des Südpols als optisches Medium nutzt. DeepCore ist eine Erweiterung mit dichterer Instrumentierung im unteren Teil des IceCube-Teleskops. Diese dichte Instrumentierung ermöglicht den Nachweis von Neutrinos mit Energien ab einer Energieschwelle von etwa 10 GeV. Jedes Jahr werden Tausende von atmosphärischen Neutrinos oberhalb dieser Schwelle in DeepCore detektiert. Eine Bestimmung der Energie der Neutrinos und des durch sie zurückgelegten Weges durch die Erde ermöglicht die Messung von Neutrinooszillationen. In dieser Arbeit werden zunächst die Möglichkeiten von DeepCore diskutiert, Oszillationen auf unterschiedliche Weise zu messen. Das Verschwinden von Myon-Neutrinos wird als erfolgsversprechender Prozess ausgewählt. Darauf folgt die Beschreibung einer Methode zur Identifizierung von Tscherenkow-Photonen, welche detektiert wurden, bevor sie gestreut wurden -sogenannte- direkte Photonen. Mit Hilfe dieser Photonen kann der Zenitwinkel der Myon-Neutrinos bestimmmt werden. Auch die Energie der Neutrinos wird rekonstruiert. In den Jahren 2011 und 2012 wurden innerhalb von 343 Tagen mit dieser Analyse 1487 Neutrinokandidaten mit Energien zwischen 7 GeV und 100 GeV in DeepCore gefunden. Vergleicht man diese Zahl mit der erwarteten Zahl vom atmosphärischen Neutrinofluss ohne Oszillationen, so ergibt sich ein Defizit von etwa 500 Ereignissen. Die Osziallationsparameter, die die Daten am besten beschreiben, sind im Einklang mit den Parametern, die von anderen Experimenten veröffentlicht wurden. / The study of neutrino oscillations is an active field of research. During the last couple of decades many experiments have measured the effects of oscillations, pushing the field from the discovery stage towards an era of precision and deeper understanding of the phenomenon. The IceCube Neutrino Observatory, with its low energy subarray, DeepCore, has the possibility of contributing to this field. IceCube is a 1 km^3 ice Cherenkov neutrino telescope buried deep in the Antarctic glacier. DeepCore, a region of denser instrumentation in the lower center of IceCube, permits the detection of neutrinos with energies as low as 10 GeV. Every year, thousands of atmospheric neutrinos around these energies leave a strong signature in DeepCore. Due to their energy and the distance they travel before being detected, these neutrinos can be used to measure the phenomenon of oscillations. This work starts with a study of the potential of IceCube DeepCore to measure neutrino oscillations in different channels, from which the disappearance of muon neutrinos is chosen to move forward. It continues by describing a novel method for identifying Cherenkov photons that traveled without being scattered until detected direct photons. These photons are used to reconstruct the incoming zenith angle of muon neutrinos. The total energy of the interacting neutrino is also estimated. In data taken in 343 days during 2011-2012, 1487 neutrino candidates with an energy between 7 GeV and 100 GeV are found inside the DeepCore volume. Compared to the expectation from the atmospheric neutrino flux without oscillations, this corresponds to a deficit of about 500 muon neutrino events. The oscillation parameters that describe the data best are in agreement with the results reported by other experiments. The method and tools presented allow DeepCore to reach comparable precision with the current best results of on-going experiments once five years of data are collected.

Das IceCube-Experiment sucht nach astrophysikalischen, hochenergetischen Neutrinos, von deren Entdeckung man sich Antworten auf die seit mehr als 100 Jahren offene Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung erhofft. Zu diesem Zweck wurde ein kubikkilometergroßes Volumen tief im Antarktischen Eisschild mit optischen Sensoren instrumentiert, um die in Neutrinowechselwirkungen entstandene Cherenkov-Strahlung nachzuweisen.Diese Dissertation beschreibt eine Suche nach neutrinoinduzierten Teilchenschauern in Daten, die von April 2008 bis Mai 2009 während der Konstruktionsphase von IceCube aufgezeichnet wurden. Zu dieser Zeit war etwa die Hälfte der endgültigen Detektoranordnung in Betrieb. Das Ziel der Arbeit war die Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos mit der Maßgabe, gleichzeitig eine Sensitivität für Neutrinos terrestrischen Ursprungs aufrecht zu erhalten. Beide Sorten von Neutrinos müssen von einem vielfach größeren Untergrund von atmosphärischen Myonen isoliert werden. Die Suche nach Teilchenschauern im Detektor bietet sich hierfür an, da diese Signatur einer Neutrinowechselwirkung eine gute Energierekonstruktion ermöglicht und sich qualitativ von der Signatur des Myonuntergrunds unterscheidet. Eine robuste Abschätzung des Myonuntergrunds wurde mittels Luftschauersimulationen gewonnen. Methoden wurden entwickelt, um Neutrinos und Myonen voneinander zu unterscheiden. Zwei verschiedene Ereignisselektionen wurden erstellt. Die erste zielt mit einer Energieschwelle von 2 TeV auf die Messung atmosphärischer Neutrinos ab und fand einen geringen Überschuss an Ereignissen der quantitativ gut mit atmosphärischen Neutrinos erklärt werden kann, jedoch nicht signifikant genug ist, um einen rein myonischen Ursprung auszuschließen. Die zweite Selektion war mit einer Energieschwelle von 100 TeV für astrophysikalische Neutrinos optimiert. Der gefundene Überschuss ist kompatibel mit einer stringenteren Flussmessung, die mit dem fertiggestellten IceCube Detektor gelang. / The IceCube experiment aims at the detection of an astrophysical high-energy neutrino flux from which answers are expected regarding the long standing question of the origin of cosmic rays. To this end, a cubic-kilometer volume deep in the glacial ice has been instrumented with digital optical sensors in order to record Cherenkov light emitted by charged secondary particles that are generated in neutrino interactions. This dissertation presents a search for neutrino-induced particle showers, also called cascades, in data taken between April 2008 and May 2009 during IceCube’s construction phase, when about 50% of the final configuration was deployed and operational. The goal of this analysis is the detection of the astrophysical diffuse neutrino flux while maintaining sensitivity to neutrinos originating from the Earth’s atmosphere. Both neutrino fluxes must be separated from a much more abundant background of muons created in cosmic-ray-induced air showers. Good energy reconstruction and a signature in the detector that is qualitatively different from the muon background make cascade searches very well-suited for this task. A robust estimate of this background has been obtained from air-shower simulations. Techniques were developed to isolate the neutrino flux from the atmospheric muon background. Two event selections were prepared. Firstly, a low-energy sample with an energy threshold of about 2 TeV aimed at the detection of atmospheric neutrinos. A small excess above atmospheric muons was found that can be explained well by atmospheric neutrinos but is not significant enough to rule out a muon-only hypothesis. Secondly, a high-energy sample with an energy threshold of about 100 TeV targeted astrophysical neutrinos. A 2.7 sigma excess over the expectation from atmospheric muons and neutrinos was found. It is compatible with ­more stringent flux estimates obtained by measurements with the completed IceCube detector.

Neutrinooszillation, ein Phänomen, das den Neutrino-Flavour nach ihrer Ausbreitung durch den Weltraum verändern kann, ist ein Beweis für nicht-verschwindende Neutrinomassen und ein Hinweis auf eine neue Physik außerhalb des Standardmodells. Diese Arbeit präsentiert die erste Messung zu atmosphärischen Neutrinooszillationen, die sechs Jahre zwischen Mai 2011 und Mai 2017 des IceCube DeepCore Experiment umfasst. Sie erweitert die bisher verfügbare Ereignisauswahl um eine neue Ereignissignatur und einen großeren Energiebereich. Diese Arbeit beschreibt die Methoden, die für die Simulationen der Wechselwirkungen der Neutrinos, die Ereignisauswahl, die Rekonstruktion und die statistische Behandlung von Messdaten und systematischen Messunsicherheiten benutzt werden. Die beste Abschätzung für die Neutrino-Mischungsparameter ist $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ und $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.) und gehört zurzeit zu den präzisesten Messungen atmosphärischer Neutrinos. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Standard-Drei-Flavour-Modell überprüft, indem ein steriles Neutrino mit einer Masse in der Größenordnung von 1 eV eingeführt wird. Die Suche nach Effekten steriler Neutrinos auf atmosphärischen Neutrinooszillationen wird auf drei Jahren Daten, genommen zwischen Mai 2011 und Mai 2014, durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Standard-Modell der Drei-Neutrino-Oszillation überein, was zu den Obergrenzen für sterilen Neutrino-Mischungsparameter $|U_{\mu4}|^2<0.11$ und $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) für $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$ führt. Dieser Ergebnis ist derzeit die stringenste Obergrenze für $|U_{\tau4}|^2$. / Neutrino oscillations, a phenomenon that can change the flavour of neutrinos after their propagation through space, are a proof of non-zero neutrino masses and are an indication of new physics beyond the Standard Model. This work presents the first measurement of the atmospheric neutrino oscillations using six years of IceCube DeepCore data taken between May 2011 and May 2017. It extends the previously available event selection to include new event signatures and to use an extended energy range. This work discusses the techniques used for simulation of neutrino interactions, event selection, reconstruction, and the statistical treatment of data and systematic uncertainties. The best estimates for the neutrino mixing parameters are $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ and $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.), which are currently among the most precise measurements obtained with atmospheric neutrinos. In addition, this work tests the standard three-flavour paradigm by introducing one sterile neutrino with a mass on the order of 1~eV. The search for sterile neutrino effects in atmospheric neutrino oscillations is performed with three years of data taken between May 2011 and May 2014. The results are consistent with the standard three-neutrino oscillation picture, leading to limits on the allowed sterile neutrino mixing of $|U_{\mu4}|^2<0.11$ and $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) for $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$. Currently, the limit for $|U_{\tau4}|^2$ is the most stringent in the World.

Neutrinooszillationen sind das einzige Phänomen jenseits des Standardmodells, das experimentell mit hoher statistischer Signifikanz bestätigt wurde. Diese Arbeit präsentiert eine Messung der atmosphärischen Neutrinooszillationen unter Verwendung von acht Jahren an Daten, die zwischen 2011 und 2019 vom IceCube DeepCore-Detektor aufgenommen wurden. Die Ereignisauswahl wurde im Vergleich zu früheren DeepCore-Messungen verbessert, wobei ein besonderes Augenmerk auf ihre Robustheit gegenüber systematischen Unsicherheiten in den Detektoreigenschaften gelegt wurde. Die Oszillationsparameter werden über eine Maximum-Likelihood-Fit an gebinnte Daten in der gemessenen Energie und Zenitwinkel geschätzt, wobei die Erwartungswerte aus gewichteten simulierten Ereignissen abgeleitet werdem. Diese Arbeit diskutiert den Simulations- und Datenauswahlprozess sowie die statistischen Methoden, die verwendet werden, um einen genauen Erwartungswert unter variablen Detektoreigenschaften und anderen systematischen Unsicherheiten zu liefern. Die Messung wird zunächst unter Verwendung des Standardmodells der Drei-Flavor-Oszillation durchgeführt, wobei das atmosphärische Massensplitting und der Mischwinkel auf $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3};\mathrm{eV}^2$ und $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$ geschätzt werden. Das Drei-Flavor-Modell wird dann um einen zusätzlichen Masseneigenzustand erweitert, der einem sterilen Neutrino mit Massensplitting $\Delta m^2_{41} = 1;\mathrm{eV}^2$ entspricht und mit den aktiven $\nu_\mu$- und $\nu_\tau$-Flavorzuständen mischen kann. Es wird kein signifikantes Signal eines sterilen Neutrinos beobachtet, und die Mischungsamplituden zwischen den sterilen und aktiven Zuständen werden auf $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ und $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ bei 90\% C.L. begrenzt. Diese Grenzwerte sind um den Faktor zwei bis drei strenger als das vorherige DeepCore-Ergebnis, und die Einschränkung von $|U_{\tau 4}|^2$ ist die stärkste der Welt. / Neutrino oscillations are the only phenomenon beyond the Standard Model that has been confirmed experimentally to a very high statistical significance. This work presents a measurement of atmospheric neutrino oscillations using eight years of data taken by the IceCube DeepCore detector between 2011 and 2019. The event selection has been improved over that used in previous DeepCore measurements with a particular emphasis on its robustness with respect to systematic uncertainties in the detector properties. The oscillation parameters are estimated via a maximum likelihood fit to binned data in the observed energy and zenith angle, where the expectation is derived from weighted simulated events. This work discusses the simulation and data selection process, as well as the statistical methods employed to give an accurate expectation value under variable detector properties and other systematic uncertainties. The measurement is first performed first under the standard three-flavor oscillation model, where the atmospheric mass splitting and mixing angle are estimated to be $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3}\;\mathrm{eV}^2$ and $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$, respectively. The three-flavor model is then extended by an additional mass eigenstate corresponding to a sterile neutrino with mass splitting $\Delta m^2_{41} = 1\;\mathrm{eV}^2$ that can mix with the active $\nu_\mu$ and $\nu_\tau$ flavor states. No significant signal of a sterile neutrino is observed and the mixing amplitudes between the sterile and active states are constrained to $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ and $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ at 90\% C.L. These limits are more stringent than the previous DeepCore result by a factor between two and three and the constraint on $|U_{\tau 4}|^2$ is the strongest in the world.