Neutrino Tomography of the Earth with Icecube Andrea Donini - PowerPoint PPT Presentation

Neutrino ¡Tomography ¡of ¡the ¡Earth ¡ with ¡Icecube ¡ Andrea ¡Donini ¡ ¡(IFIC, ¡Valencia) ¡ arXiv:1803.05901 ¡ in ¡collabora8on ¡with: ¡ S. ¡Palomares-­‑Ruiz ¡ J. ¡Salvadó ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 1 ¡

Uncertaintes ¡from ¡seismology ¡ 1-­‑3% ¡ 3-­‑5% ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 2 ¡

Uncertaintes ¡from ¡seismology ¡ 1-­‑3% ¡ 3-­‑5% ¡ A ¡precise ¡knowledge ¡of ¡the ¡Earth’s ¡core ¡ is ¡mandatory ¡to ¡understand ¡the ¡ geomagne8c ¡dynamo ¡and ¡the ¡bulk ¡ composi8on ¡of ¡the ¡Earth ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 3 ¡

The ¡Earth’s ¡core ¡ A ¡problem: ¡ The ¡OUTER ¡CORE ¡IS ¡LIQUID: ¡ EARTHQUAKE ¡WAVES ¡ ¡CANNOT ¡CROSS ¡ ¡ THE ¡INNER ¡CORE ¡ ¡ ¡ We ¡only ¡have ¡informa8on ¡about ¡the ¡ INNER ¡CORE ¡through ¡global ¡ constraints ¡and ¡extrapola8ons ¡ ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 4 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Inner ¡core ¡uncertain8es ¡ Strong ¡dependence ¡of ¡the ¡IC ¡density ¡ on ¡temperature, ¡pressure ¡and ¡ composi8on ¡ Es8mated ¡temperature ¡range ¡s8ll ¡ very ¡large: ¡4000-­‑10000 ¡K ¡ ¡ ¡ Composi8on ¡guessed ¡ (iron-­‑nickel?) ¡ ¡ Missing ¡Xenon ¡problem ¡ Ishikawa, ¡Tsuchiya, ¡Tange, ¡J. ¡GeoPhys. ¡Res. ¡(Solid ¡Earth) ¡119 ¡(2014) ¡ ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 5 ¡

Two ¡ways ¡to ¡scan ¡the ¡Earth ¡ • Neutrino ¡oscilla8ons ¡(< ¡1 ¡TeV) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 6 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Two ¡ways ¡to ¡scan ¡the ¡Earth ¡ • Neutrino ¡oscilla8ons ¡(< ¡1 ¡TeV) ¡ PREVIOUS ¡TALK! ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 7 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Two ¡ways ¡to ¡scan ¡the ¡Earth ¡ • Neutrino ¡oscilla8ons ¡(< ¡1 ¡TeV) ¡ PREVIOUS ¡TALK! ¡ • Neutrino ¡flux ¡ajenua8on ¡(> ¡1 ¡TeV) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 8 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Two ¡ways ¡to ¡scan ¡the ¡Earth ¡ • Neutrino ¡oscilla8ons ¡(< ¡1 ¡TeV) ¡ PREVIOUS ¡TALK! ¡ • Neutrino ¡flux ¡ajenua8on ¡(> ¡1 ¡TeV) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 9 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

A ¡forecast… ¡ Amer ¡10 ¡years ¡of ¡ data ¡taking ¡ at ¡IceCube ¡using ¡ neutrino ¡ajenua8on ¡ Claim: ¡IceCube ¡could ¡reject ¡a ¡homogeneous ¡Earth ¡at ¡5σ ¡in ¡ten ¡years ¡ Gonzalez-­‑García, ¡Halzen, ¡Maltoni, ¡Tanaka, ¡Phys. ¡Rev. ¡Lej. ¡100 ¡(2008) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 10 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

The ¡IceCube ¡Experiment ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 11 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

The ¡IceCube ¡IC86 ¡data ¡sample ¡ • 1 ¡year ¡of ¡data ¡taking ¡(2011-­‑2012) ¡ • 20145 ¡muon ¡events ¡over ¡343.7 ¡days ¡ • E μ ¡= ¡[400 ¡GeV ¡÷ ¡20 ¡TeV] ¡ • The ¡muon ¡direc8on ¡is ¡a ¡very ¡good ¡proxy ¡of ¡the ¡ neutrino ¡direc8on, ¡with ¡Δcosθ z ¡< ¡0.01 ¡ • PUBLICLY ¡AVAILABLE! ¡ 7 ¡more ¡years ¡of ¡data ¡are ¡not ¡yet ¡available ¡to ¡ mortals….. ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 12 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Raw ¡data ¡as ¡a ¡func8on ¡of ¡E μ ¡and ¡θ z ¡ Mantle InnerCore OuterCore Atmosphere b 10 3 . 0 - 10 2 . 5 e p l m a S l l u F N events V e T 5 1 . > 10 2 . 0 e c E r µ V T e 5 . 2 > e c E r 10 1 . 5 µ 10 1 . 0 � 1 . 0 � 0 . 8 � 0 . 6 � 0 . 4 � 0 . 2 0 . 0 cos θ rec z PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 13 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Comparison ¡with ¡expecta8ons ¡ Flux ¡model ¡ Propaga8on ¡ Interac8on ¡with ¡ nucleons ¡ Detector ¡ simula8on ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 14 ¡

Flux ¡model ¡dependence ¡ Primary ¡cosmic ¡ray ¡flux: ¡ ¡ Honda-­‑Gaisser ¡model ¡+ ¡ ¡ Gaisser-­‑Hillas ¡correc8ons ¡ ¡ (HG-­‑GH-­‑H3a) ¡ ¡ ¡ Hadronic ¡model: ¡QGSJET-­‑II-­‑04 ¡ ¡ Other ¡op8ons ¡ ¡ à ¡“discrete” ¡ systema8cs ¡ (see ¡talks ¡by ¡Fedynitch, ¡Gaisser, ¡Honda) ¡ ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 15 ¡

Neutrino ¡propaga8on ¡ Propaga8on ¡through ¡the ¡Earth ¡with ¡ν-­‑SQuIDs ¡ ¡(includes ¡oscilla8ons) ¡ Argüelles ¡Delgado, ¡Salvado ¡& ¡Weaver, ¡Comput. ¡Phys. ¡Commun. ¡196 ¡(2015) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 16 ¡

Neutrino-­‑nucleon ¡interac8on ¡ Parton ¡distribu8on ¡func8ons: ¡HERAPDF ¡ νN ¡(νN) ¡cross-­‑sec8ons ¡ at ¡2-­‑3% ¡(4-­‑10%) ¡errors ¡ ¡ ¡ ¡ICECUBE ¡MEASUREMENT ¡ +0.21 ¡ +0.39 ¡ 1.30 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(stat) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(syst) ¡x ¡σ SM ¡ -­‑ ¡0.19 ¡ -­‑ ¡0.43 ¡ ¡ Aarsten ¡et ¡al, ¡Nature ¡551 ¡ ¡(2017) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 17 ¡

Detector ¡simula8on ¡ We ¡use ¡the ¡official ¡ IceCube ¡MC ¡to ¡map ¡ ¡ E μ true , ¡θ μ true ¡into ¡E ν rec , ¡θ ν rec ¡ ¡ ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 18 ¡

An ¡early ¡ajempt ¡by ¡IceCube ¡collabora8on ¡ IC40 ¡SAMPLE, ¡ 1 ¡year ¡of ¡data ¡ Hoshina, ¡Tanaka, ¡2011, ¡Interna8onal ¡Workshop ¡on ¡High-­‑Energy ¡Geophysics, ¡Tokyo ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 19 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Including ¡energy ¡cuts: ¡N data /N noaj ¡ Full ¡sample ¡ Above ¡5 ¡TeV ¡ b a 2 . 0 a InnerCore OuterCore Mantle Atmosphere E rec Atmosphere > 5 TeV 1 . 6 InnerCore OuterCore All events Mantle µ - 1 . 5 - 1 . 4 N data /N no att N data /N no att 1 . 2 1 . 0 1 . 0 0 . 5 0 . 8 0 . 0 0 . 6 � 1 . 0 � 0 . 8 � 0 . 6 � 0 . 4 � 0 . 2 0 . 0 � 1 . 0 � 0 . 8 � 0 . 6 � 0 . 4 � 0 . 2 0 . 0 cos θ rec cos θ rec z z Full ¡sample ¡ For ¡cosθ z ¡> ¡-­‑0.6, ¡ useful ¡for ¡ ajenua8on ¡can ¡be ¡ normaliza8on ¡ as ¡large ¡as ¡50% ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 20 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Our ¡Earth’s ¡model ¡ 5 ¡spherical ¡layers ¡ Inner ¡Core, ¡one ¡layer ¡ L 1 ¡= ¡1242 ¡km ¡ Outer ¡Core, ¡two ¡layers ¡ L 2 ¡= ¡2373 ¡km, ¡ ¡ L 3 ¡= ¡3504 ¡km ¡ Mantle, ¡two ¡layers ¡ L 4 ¡= ¡4938 ¡km, ¡ ¡ L 5 ¡= ¡6371 ¡km ¡ No ¡crust! ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 21 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Our ¡Earth’s ¡model ¡ 5 ¡spherical ¡layers ¡ Inner ¡Core, ¡one ¡layer ¡ L 1 ¡= ¡1242 ¡km ¡ Outer ¡Core, ¡two ¡layers ¡ L 2 ¡= ¡2373 ¡km, ¡ ¡ L 3 ¡= ¡3504 ¡km ¡ Mantle, ¡two ¡layers ¡ L 4 ¡= ¡4938 ¡km, ¡ ¡ L 5 ¡= ¡6371 ¡km ¡ Core-­‑Mantle ¡Boundary ¡fixed! ¡ No ¡crust! ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 22 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡

Systema8cs ¡importance ¡ (as ¡in ¡Salvado ¡talk ¡on ¡sterile ¡neutrinos) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 23 ¡

Systema8cs ¡importance ¡ (as ¡in ¡Salvado ¡talk ¡on ¡sterile ¡neutrinos) ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 24 ¡

Systema8cs ¡importance ¡ (as ¡in ¡Salvado ¡talk ¡on ¡sterile ¡neutrinos) ¡ Not ¡taken ¡into ¡account: ¡ ¡ OPTICAL ¡PROPERTIES ¡OF ¡THE ¡ICE ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡ 25 ¡

First ¡1-­‑d ¡density ¡profile ¡with ¡neutrinos ¡ Analysis ¡performed ¡ with ¡Mul8Nest ¡ ¡ 5 ¡Earth ¡layers ¡densi8es ¡ ¡ ¡ and ¡ ¡ ¡ 4 ¡systema8c ¡errors: ¡ • Flux ¡normaliza8on ¡ • Pion-­‑to-­‑kaon ¡ra8o ¡ • Spectral ¡shape ¡ • DOM ¡Efficiency ¡ PANE ¡WORKSHOP, ¡ICTP ¡Trieste, ¡ 26 ¡ 28/05-­‑01/06, ¡2018 ¡