A muon-track reconstruction exploiting stochastic losses for large-scale Cherenkov detectors
Authors: Abbasi R. , Ackermann M. , Adams J. , Aguilar J.A. , Ahlers M. , Ahrens M. , Alispach C. , Alves A.A. , Amin N.M. , An R. , Andeen K. , Anderson T. , Ansseau I. , Anton G. , Argüelles C. , Axani S. , Bai X. , Balagopal V. A. , Barbano A. , Barwick S.W. , Bastian B. , Basu V. , Baur S. , Bay R. , Beatty J.J. , Becker K.-H. , Becker Tjus J. , Bellenghi C. , BenZvi S. , Berley D. , Bernardini E. , Besson D.Z. , Binder G. , Bindig D. , Blaufuss E. , Blot S. , Borowka J. , Böser S. , Botner O. , Böttcher J. , Bourbeau E. , Bourbeau J. , Bradascio F. , Braun J. , Bron S. , Brostean-Kaiser J. , Browne S. , Burgman A. , Busse R.S. , Campana M.A. , Chen C. , Chirkin D. , Choi K. , Clark B.A. , Clark K. , Classen L. , Coleman A. , Collin G.H. , Conrad J.M. , Coppin P. , Correa P. , Cowen D.F. , Cross R. , Dave P. , De Clercq C. , DeLaunay J.J. , Dembinski H. , Deoskar K. , De Ridder S. , Desai A. , Desiati P. , de Vries K.D. , de Wasseige G. , de With M. , DeYoung T. , Dharani S. , Diaz A. , Díaz-Vélez J.C. , Dujmovic H. , Dunkman M. , DuVernois M.A. , Dvorak E. , Ehrhardt T. , Eller P. , Engel R. , Erpenbeck H. , Evans J. , Evenson P.A. , Fahey S. , Fazely A.R. , Fiedlschuster S. , Fienberg A.T. , Filimonov K. , Finley C. , Fischer L. , Fox D. , Franckowiak A. , Friedman E. , Fritz A. , Fürst P. , K. Gaisser T. , Gallagher J. , Ganster E. , Garrappa S. , Gerhardt L. , Ghadimi A. , Glaser C. , Glauch T. , Glüsenkamp T. , Goldschmidt A. , Gonzalez J.G. , Goswami S. , Grant D. , Grégoire T. , Griffith Z. , Griswold S. , Gündüz M. , Günther C. , Haack C. , Hallgren A. , Halliday R. , Halve L. , Halzen F. , Ha Minh M. , Hanson K. , Hardin J. , Harnisch A.A. , Haungs A. , Hauser S. , Hebecker D. , Helbing K. , Henningsen F. , Hettinger E.C. , Hickford S. , Hignight J. , Hill C. , Hill G.C. , Hoffman K.D. , Hoffmann R. , Hoinka T. , Hokanson-Fasig B. , Hoshina K. , Huang F. , Huber M. , Huber T. , Hultqvist K. , Hünnefeld M. , Hussain R. , In S. , Iovine N. , Ishihara A. , Jansson M. , Japaridze G.S. , Jeong M. , Jones B.J.P. , Joppe R. , Kang D. , Kang W. , Kang X. , Kappes A. , Kappesser D. , Karg T. , Karl M. , Karle A. , Katz U. , Kauer M. , Kellermann M. , Kelley J.L. , Kheirandish A. , Kin K. , Kintscher T. , Kiryluk J. , Klein S.R. , Koirala R. , Kolanoski H. , Köpke L. , Kopper C. , Kopper S. , Koskinen D.J. , Koundal P. , Kovacevich M. , Kowalski M. , Krings K. , Kurahashi N. , Kyriacou A. , Lagunas Gualda C. , Lanfranchi J.L. , Larson M.J. , Lauber F. , Lazar J.P. , Lee J.W. , Leonard K. , Leszczyńska A. , Li Y. , Liu Q.R. , Lohfink E. , Lozano Mariscal C.J. , Lu L. , Lucarelli F. , Ludwig A. , Luszczak W. , Lyu Y. , Ma W.Y. , Madsen J. , Mahn K.B.M. , Makino Y. , Mancina S. , Mariş I.C. , Maruyama R. , Mase K. , McNally F. , Meagher K. , Medina A. , Meier M. , Meighen-Berger S. , Merz J. , Micallef J. , Mockler D. , Montaruli T. , Moore R.W. , Morse R. , Moulai M. , Naab R. , Nagai R. , Naumann U. , Necker J. , Nguyễn L.V. , Niederhausen H. , Nisa M.U. , Nowicki S.C. , Nygren D.R. , Obertacke Pollmann A. , Oehler M. , Olivas A. , O'Sullivan E. , Pandya H. , Pankova D.V. , Park N. , Parker G.K. , Paudel E.N. , Paul L. , Pérez de los Heros C. , Philippen S. , Pieloth D. , Pieper S. , Pizzuto A. , Plum M. , Popovych Y. , Porcelli A. , Prado Rodriguez M. , Price P.B. , Pries B. , Przybylski G.T. , Raab C. , Raissi A. , Rameez M. , Rawlins K. , Rea I.C. , Rehman A. , Reimann R. , Renzi G. , Resconi E. , Reusch S. , Rhode W. , Richman M. , Riedel B. , Robertson S. , Roellinghoff G. , Rongen M. , Rott C. , Ruhe T. , Ryckbosch D. , Rysewyk Cantu D. , Safa I. , Saffer J. , Sanchez Herrera S.E. , Sandrock A. , Sandroos J. , Santander M. , Sarkar S. , Sarkar S. , Satalecka K. , Scharf M. , Schaufel M. , Schieler H. , Schlunder P. , Schmidt T. , Schneider A. , Schneider J. , Schröder F.G. , Schumacher L. , Sclafani S. , Seckel D. , Seunarine S. , Sharma A. , Shefali S. , Silva M. , Skrzypek B. , Smithers B. , Snihur R. , Soedingrekso J. , Soldin D. , Spiczak G.M. , Spiering C. , Stachurska J. , Stamatikos M. , Stanev T. , Stein R. , Stettner J. , Steuer A. , Stezelberger T. , Stürwald T. , Stuttard T. , Sullivan G.W. , Taboada I. , Tenholt F. , Ter-Antonyan S. , Tilav S. , Tischbein F. , Tollefson K. , Tomankova L. , Tönnis C. , Toscano S. , Tosi D. , Trettin A. , Tselengidou M. , Tung C.F. , Turcati A. , Turcotte R. , Turley C.F. , Twagirayezu J.P. , Ty B. , Unland Elorrieta M.A. , Valtonen-Mattila N. , Vandenbroucke J. , van Eijk D. , van Eijndhoven N. , Vannerom D. , van Santen J. , Verpoest S. , Vraeghe M. , Walck C. , Wallace A. , Watson T.B. , Weaver C. , Weigel P. , Weindl A. , Weiss M.J. , Weldert J. , Wendt C. , Werthebach J. , Weyrauch M. , Whelan B.J. , Whitehorn N. , Wiebusch C.H. , Williams D.R. , Wolf M. , Woschnagg K. , Wrede G. , Wulff J. , Xu X.W. , Xu Y. , Yanez J.P. , Yoshida S. , Yuan T. , Zhang Z. 
Published: August 2021

IceCube is a cubic-kilometer Cherenkov telescope operating
at the South Pole. The main goal of IceCube is the detection of
astrophysical neutrinos and the identification of their sources.
High-energy muon neutrinos are observed via the secondary muons
produced in charge current interactions with nuclei in the
ice. Currently, the best performing muon track directional
reconstruction is based on a maximum likelihood method using the
arrival time distribution of Cherenkov photons registered by the
experiment's photomultipliers. A known systematic shortcoming of the
prevailing method is to assume a continuous energy loss along the
muon track. However at energies >1 TeV the light yield from
muons is dominated by stochastic showers. This paper discusses a
generalized ansatz where the expected arrival time distribution is
parametrized by a stochastic muon energy loss pattern. This more
realistic parametrization of the loss profile leads to an
improvement of the muon angular resolution of up to 20% for
through-going tracks and up to a factor 2 for starting tracks over
existing algorithms. Additionally, the procedure to estimate the
directional reconstruction uncertainty has been improved to be more
robust against numerical errors.