A muon-track reconstruction exploiting stochastic losses for large-scale Cherenkov detectors

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.; Arguelles, 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.; Boser, S.; Botner, O.; Bottcher, 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.; Diaz-Velez, 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.; Furst, P.; K. Gaisser T.,; Gallagher, J.; Ganster, E.; Garrappa, S.; Gerhardt, L.; Ghadimi, A.; Glaser, C.; Glauch, T.; Glusenkamp, T.; Goldschmidt, A.; Gonzalez, J. G.; Goswami, S.; Grant, D.; Gregoire, T.; Griffith, Z.; Griswold, S.; Gunduz, M.; Gunther, 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.; Hunnefeld, 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.; Kopke, 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.; Leszczynska, A.; Li, Y.; Liu, Q. R.; Lohfink, E.; Lozano Mariscal, C. J.; Lu, L.; Lucarelli, F.; Ludwig, A.; Luszczak, W.; Lyu, Y.; W. Y., Ma; Madsen, J.; Mahn, K. B. M.; Makino, Y.; Mancina, S.; Maris, 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.; Nguyn, 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.; Perez 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.; Schroder, 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.; Sturwald, T.; Stuttard, T.; Sullivan, G. W.; Taboada, I.; Tenholt, F.; Ter-Antonyan, S.; Tilav, S.; Tischbein, F.; Tollefson, K.; Tomankova, L.; Tonnis, 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.; X. W., Xu; Xu, Y.; Yanez, J. P.; Yoshida, S.; Yuan, T.; Zhang, Z.

doi:10.1088/1748-0221/16/08/P08034

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.