Search for sterile neutrino mixing using three years of IceCube DeepCore data

Journal Article · 15 June 2017 · Physical Review D

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.95.112002 · OSTI ID:1544387

Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Al Samarai, I.; Altmann, D.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Archinger, M.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S.; Bai, X.; Barwick, S. W.; Baum, V.; Bay, R. ; Beatty, J. J.; Becker Tjus, J.; Becker, K. -H.; BenZvi, S.; Berley, D.; Bernardini, E.; Besson, D. Z.; Binder, G.; Bindig, D.; Blaufuss, E.; Blot, S.; Bohm, C.; Börner, M.; Bos, F.; Bose, D.; Böser, S.; Botner, O.; Braun, J.; Brayeur, L.; Bretz, H. -P.; Bron, S.; Burgman, A.; Carver, T.; Casier, M.; Cheung, E.; Chirkin, D.; Christov, A.; Clark, K.; Classen, L.; Coenders, S.; Collin, G. H.; Conrad, J. M.; Cowen, D. F.; Cross, R.; Day, M.; de André, J. P. A. M.; De Clercq, C.; del Pino Rosendo, E.; Dembinski, H.; De Ridder, S.; Desiati, P.; de Vries, K. D.; de Wasseige, G.; de With, M.; DeYoung, T.; Díaz-Vélez, J. C.; di Lorenzo, V.; Dujmovic, H.; Dumm, J. P.; Dunkman, M.; Eberhardt, B.; Ehrhardt, T.; Eichmann, B.; Eller, P.; Euler, S.; Evenson, P. A.; Fahey, S.; Fazely, A. R.; Feintzeig, J.; Felde, J.; Filimonov, K.; Finley, C.; Flis, S.; Fösig, C. -C.; Franckowiak, A.; Friedman, E.; Fuchs, T.; Gaisser, T. K.; Gallagher, J.; Gerhardt, L.; Ghorbani, K.; Giang, W.; Gladstone, L.; Glauch, T.; Glüsenkamp, T.; Goldschmidt, A.; Gonzalez, J. G.; Grant, D.; Griffith, Z.; Haack, C.; Hallgren, A.; Halzen, F.; Hansen, E.; Hansmann, T.; Hanson, K.; Hebecker, D.; Heereman, D.; Helbing, K.; Hellauer, R.; Hickford, S.; Hignight, J.; Hill, G. C.; Hoffman, K. D.; Hoffmann, R.; Hoshina, K.; Huang, F.; Huber, M.; Hultqvist, K.; In, S.; Ishihara, A.; Jacobi, E.; Japaridze, G. S.; Jeong, M.; Jero, K.; Jones, B. J. P.; Kang, W.; Kappes, A.; Karg, T.; Karle, A.; Katz, U.; Kauer, M.; Keivani, A.; Kelley, J. L.; Kheirandish, A.; Kim, J.; Kim, M.; Kintscher, T.; Kiryluk, J.; Kittler, T.; Klein, S. R.; Kohnen, G.; Koirala, R.; Kolanoski, H.; Konietz, R.; Köpke, L.; Kopper, C.; Kopper, S.; Koskinen, D. J.; Kowalski, M.; Krings, K.; Kroll, M.; Krückl, G.; Krüger, C.; Kunnen, J.; Kunwar, S.; Kurahashi, N.; Kuwabara, T.; Kyriacou, A.; Labare, M.; Lanfranchi, J. L.; Larson, M. J.; Lauber, F.; Lennarz, D.; Lesiak-Bzdak, M.; Leuermann, M.; Lu, L.; Lünemann, J.; Madsen, J.; Maggi, G.; Mahn, K. B. M.; Mancina, S.; Mandelartz, M.; Maruyama, R.; Mase, K.; Maunu, R.; McNally, F.; Meagher, K.; Medici, M.; Meier, M.; Menne, T.; Merino, G.; Meures, T.; Miarecki, S.; Micallef, J.; Momenté, G.; Montaruli, T.; Moulai, M.; Nahnhauer, R.; Naumann, U.; Neer, G.; Niederhausen, H.; Nowicki, S. C.; Nygren, D. R.; Obertacke Pollmann, A.; Olivas, A.; O’Murchadha, A.; Palczewski, T.; Pandya, H.; Pankova, D. V.; Peiffer, P.; Penek, Ö.; Pepper, J. A.; Pérez de los Heros, C.; Pieloth, D.; Pinat, E.; Price, P. B.; Przybylski, G. T.; Quinnan, M.; Raab, C.; Rädel, L.; Rameez, M.; Rawlins, K.; Reimann, R.; Relethford, B.; Relich, M.; Resconi, E.; Rhode, W.; Richman, M.; Riedel, B.; Robertson, S.; Rongen, M.; Rott, C.; Ruhe, T.; Ryckbosch, D.; Rysewyk, D.; Sabbatini, L.; Sanchez Herrera, S. E.; Sandrock, A.; Sandroos, J.; Sarkar, S.; Satalecka, K.; Schlunder, P.; Schmidt, T.; Schoenen, S.; Schöneberg, S.; Schumacher, L.; Seckel, D.; Seunarine, S.; Soldin, D.; Song, M.; Spiczak, G. M.; Spiering, C.; Stachurska, J.; Stanev, T.; Stasik, A.; Stettner, J.; Steuer, A.; Stezelberger, T.; Stokstad, R. G.; Stößl, A.; Ström, R.; Strotjohann, N. L.; Sullivan, G. W.; Sutherland, M.; Taavola, H.; Taboada, I.; Tatar, J.; Tenholt, F.; Ter-Antonyan, S.; Terliuk, A.; Tešić, G.; Tilav, S.; Toale, P. A.; Tobin, M. N.; Toscano, S.; Tosi, D.; Tselengidou, M.; Tung, C. F.; Turcati, A.; Unger, E.; Usner, M.; Vandenbroucke, J.; van Eijndhoven, N.; Vanheule, S.; van Rossem, M.; van Santen, J.; Vehring, M.; Voge, M.; Vogel, E.; Vraeghe, M.; Walck, C.; Wallace, A.; Wallraff, M.; Wandkowsky, N.; Waza, A.; Weaver, Ch.; Weiss, M. J.; Wendt, C.; Westerhoff, S.; Whelan, B. J.; Wickmann, S.; Wiebe, K.; Wiebusch, C. H.; Wille, L.; Williams, D. R.; Wills, L.; Wolf, M.; Wood, T. R.; Woolsey, E.; Woschnagg, K.; Xu, D. L.; Xu, X. W.; Xu, Y.; Yanez, J. P.; Yodh, G.; Yoshida, S.; Zoll, M.

Here, we introduce a search for a light sterile neutrino using three years of atmospheric neutrino data from the DeepCore detector in the energy range of approximately 10–60 GeV. DeepCore is the low-energy subarray of the IceCube Neutrino Observatory. The standard three-neutrino paradigm can be probed by adding an additional light (Δ$$m^{2}_{41}$$~1 eV²) sterile neutrino. Sterile neutrinos do not interact through the standard weak interaction and, therefore, cannot be directly detected. Yet, their mixing with the three active neutrino states leaves an imprint on the standard atmospheric neutrino oscillations for energies below 100 GeV. A search for such mixing via muon neutrino disappearance is presented here. The data are found to be consistent with the standard three-neutrino hypothesis. Thus, we derive limits on the mixing matrix elements at the level of |U_μ4|²<0.11 and |U_τ4|²<0.15 (90% C.L.) for the sterile neutrino mass splitting Δ$$m^{2}_{41}$$=1.0 eV².

• Research Organization: Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States). National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC)
• Sponsoring Organization: USDOE Office of Science (SC); National Science Foundation (NSF)
• Contributing Organization: IceCube Collaboration
• OSTI ID: 1544387
• Alternate ID(s): OSTI ID: 1372555
• Journal Information: Physical Review D, Vol. 95, Issue 11; ISSN 2470-0010
• Publisher: American Physical Society (APS)Copyright Statement
• Country of Publication: United States
• Language: English