First Search for Heavy Neutral Leptons with IceCube DeepCore
Creators: name: Fischer, Leander
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: IceCube
subject: Schwere Neutrale Leptonen
subject: Neutrinos
subject: DeepCore
subject: Heavy Neutral Leptons
subject: 530 Physik

description: Die Beobachtung von Neutrino-Oszillationen hat gezeigt, dass Neutrinos eine von Null verschiedene Masse haben. Dieses Phänomen wird nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben, aber eine mögliche Erklärung für dieses Dilemma ist die Existenz von schweren neutralen Leptonen in Form von rechtshändigen Neutrinos. Abhängig von ihrer Masse und Kopplung zu den Neutrinos des Standardmodells könnten diese Teilchen auch eine wichtige Rolle bei der Lösung weiterer unerklärter Beobachtungen wie Dunkler Materie und der Baryonenasymmetrie des Universums spielen. Diese Arbeit präsentiert die erste Suche nach schweren neutralen Leptonen mit dem IceCube Neutrino-Observatorium. Das standardmäßige Drei-Flavor-Neutrino-Modell wird erweitert, indem ein vierter Massenzustand im GeV-Bereich hinzugefügt wird und eine Mischung mit dem Tau-Neutrino durch den Parameter \ut4 erlaubt wird. Es werden drei Massenwerte für schwere neutrale Leptonen, $m_4$, von \SI{0.3}{\gev}, \SI{0.6}{\gev} und \SI{1.0}{\gev} getestet, wobei zehn Jahre Daten aus den Jahren 2011 bis 2021 verwendet werden. Für keine der drei getesteten Massen wird ein signifikantes Signal von schweren neutralen Leptonen gemessen. Die resultierenden Einschränkungen für den Mischungsparameter sind \ut4$ &lt; 0.19\;(m_4 = \SI{0.3}{\gev})$, \ut4$ &lt; 0.36\;(m_4 = \SI{0.6}{\gev})$ und \ut4$ &lt; 0.40\;(m_4 = \SI{1.0}{\gev})$ im \SI{90}{\percent} - Konfidenzniveau. Diese erste Analyse legt die grundlegende Basis für zukünftige Suchen nach schweren neutralen Leptonen in IceCube.
description: The observation of neutrino oscillations has established that neutrinos have non-zero masses. This phenomenon is not explained by the standard model of particle physics, but one viable explanation to this dilemma is the existence of heavy neutral leptons in the form of right-handed neutrinos. Depending on their mass and coupling to standard model neutrinos, these particles could also play an important role in solving additional unexplained observations such as dark matter and the baryon asymmetry of the universe. This work presents the first search for heavy neutral leptons with the IceCube Neutrino Observatory. The standard three flavor neutrino model is extended by adding a fourth GeV-scale mass state and allowing mixing with the tau neutrino through the parameter \ut4. Three heavy neutral lepton mass values, $m_4$, of \SI{0.3}{\gev}, \SI{0.6}{\gev}, and \SI{1.0}{\gev} are tested using ten years of data, collected between 2011 and 2021. No significant signal of heavy neutral leptons is observed for any of the tested masses. The resulting constraints for the mixing parameter are \ut4$ &lt; 0.19\;(m_4 = \SI{0.3}{\gev})$, \ut4$ &lt; 0.36\;(m_4 = \SI{0.6}{\gev})$, and \ut4$ &lt; 0.40\;(m_4 = \SI{1.0}{\gev})$ at \SI{90}{\percent} confidence level. This first analysis lays the fundamental groundwork for future searches for heavy neutral leptons in IceCube.