Limiting the Parameter Space for Unstable eV-scale Neutrinos Using IceCube Data
R. Abbasi, M. Ackermann, J. Adams, S. K. Agarwalla, J. A. Aguilar, M. Ahlers, J. M. Alameddine, S. Ali, N. M. Amin, K. Andeen, C. Argüelles, Y. Ashida, S. Athanasiadou, S. N. Axani, R. Babu, X. Bai, J. Baines-Holmes, A. Balagopal V., S. W. Barwick, S. Bash, V. Basu, R. Bay, J. J. Beatty, J. Becker Tjus, P. Behrens, J. Beise, C. Bellenghi, B. Benkel, S. BenZvi, D. Berley, E. Bernardini, D. Z. Besson, E. Blaufuss, L. Bloom, S. Blot, I. Bodo, F. Bontempo, J. Y. Book Motzkin, C. Boscolo Meneguolo, S. Böser, O. Botner, J. Böttcher, J. Braun, B. Brinson, Z. Brisson-Tsavoussis, R. T. Burley, D. Butterfield, M. A. Campana, K. Carloni, J. Carpio, S. Chattopadhyay, N. Chau, Z. Chen, D. Chirkin, S. Choi, B. A. Clark, A. Coleman, P. Coleman, G. H. Collin, D. A. Coloma Borja, A. Connolly, J. M. Conrad, R. Corley, D. F. Cowen, C. De Clercq, J. J. DeLaunay, D. Delgado, T. Delmeulle, S. Deng, P. Desiati, K. D. de Vries, G. de Wasseige, J. C. Díaz-Vélez, S. DiKerby, M. Dittmer, A. Domi, L. Draper, L. Dueser, D. Durnford, K. Dutta, M. A. DuVernois, T. Ehrhardt, L. Eidenschink, A. Eimer, P. Eller, E. Ellinger, D. Elsässer, R. Engel, H. Erpenbeck, W. Esmail, S. Eulig, J. Evans, P. A. Evenson, K. L. Fan, K. Fang, K. Farrag, A. R. Fazely, A. Fedynitch, N. Feigl, C. Finley, L. Fischer, D. Fox, A. Franckowiak, S. Fukami, P. Fürst, J. Gallagher, E. Ganster, A. Garcia, M. Garcia, G. Garg, E. Genton, L. Gerhardt, A. Ghadimi, C. Glaser, T. Glüsenkamp, J. G. Gonzalez, S. Goswami, A. Granados, D. Grant, S. J. Gray, S. Griffin, S. Griswold, K. M. Groth, D. Guevel, C. Günther, P. Gutjahr, C. Ha, C. Haack, A. Hallgren, L. Halve, F. Halzen, L. Hamacher, M. Ha Minh, M. Handt, K. Hanson, J. Hardin, A. A. Harnisch, P. Hatch, A. Haungs, J. Häußler, K. Helbing, J. Hellrung, B. Henke, L. Hennig, F. Henningsen, L. Heuermann, R. Hewett, N. Heyer, S. Hickford, A. Hidvegi, C. Hill, G. C. Hill, R. Hmaid, K. D. Hoffman, D. Hooper, S. Hori, K. Hoshina, M. Hostert, W. Hou, M. Hrywniak, T. Huber, K. Hultqvist, K. Hymon, A. Ishihara, W. Iwakiri, M. Jacquart, S. Jain, O. Janik, M. Jansson, M. Jeong, M. Jin, N. Kamp, D. Kang, W. Kang, X. Kang, A. Kappes, L. Kardum, T. Karg, M. Karl, A. Karle, A. Katil, M. Kauer, J. L. Kelley, M. Khanal, A. Khatee Zathul, A. Kheirandish, H. Kimku, J. Kiryluk, C. Klein, S. R. Klein, Y. Kobayashi, A. Kochocki, R. Koirala, H. Kolanoski, T. Kontrimas, L. Köpke, C. Kopper, D. J. Koskinen, P. Koundal, M. Kowalski, T. Kozynets, N. Krieger, J. Krishnamoorthi, T. Krishnan, K. Kruiswijk, E. Krupczak, A. Kumar, E. Kun, N. Kurahashi, N. Lad, C. Lagunas Gualda, L. Lallement Arnaud, M. Lamoureux, M. J. Larson, F. Lauber, J. P. Lazar, K. Leonard DeHolton, A. Leszczyńska, J. Liao, C. Lin, Y. T. Liu, M. Liubarska, C. Love, L. Lu, F. Lucarelli, W. Luszczak, Y. Lyu, J. Madsen, E. Magnus, Y. Makino, E. Manao, S. Mancina, A. Mand, I. C. Mariş, S. Marka, Z. Marka, L. Marten, I. Martinez-Soler, R. Maruyama, J. Mauro, F. Mayhew, F. McNally, J. V. Mead, K. Meagher, S. Mechbal, A. Medina, M. Meier, Y. Merckx, L. Merten, J. Mitchell, L. Molchany, T. Montaruli, R. W. Moore, Y. Morii, A. Mosbrugger, M. Moulai, D. Mousadi, E. Moyaux, T. Mukherjee, R. Naab, M. Nakos, U. Naumann, J. Necker, L. Neste, M. Neumann, H. Niederhausen, M. U. Nisa, K. Noda, A. Noell, A. Novikov, A. Obertacke, V. O'Dell, A. Olivas, R. Orsoe, J. Osborn, E. O'Sullivan, V. Palusova, H. Pandya, A. Parenti, N. Park, V. Parrish, E. N. Paudel, L. Paul, C. Pérez de los Heros, T. Pernice, J. Peterson, M. Plum, A. Pontén, V. Poojyam, Y. Popovych, M. Prado Rodriguez, B. Pries, R. Procter-Murphy, G. T. Przybylski, L. Pyras, C. Raab, J. Rack-Helleis, N. Rad, M. Ravn, K. Rawlins, Z. Rechav, A. Rehman, I. Reistroffer, E. Resconi, S. Reusch, C. D. Rho, W. Rhode, L. Ricca, B. Riedel, A. Rifaie, E. J. Roberts, M. Rongen, A. Rosted, C. Rott, T. Ruhe, L. Ruohan, D. Ryckbosch, J. Saffer, D. Salazar-Gallegos, P. Sampathkumar, A. Sandrock, G. Sanger-Johnson, M. Santander, S. Sarkar, J. Savelberg, M. Scarnera, P. Schaile, M. Schaufel, H. Schieler, S. Schindler, L. Schlickmann, B. Schlüter, F. Schlüter, N. Schmeisser, T. Schmidt, F. G. Schröder, L. Schumacher, S. Schwirn, S. Sclafani, D. Seckel, L. Seen, M. Seikh, S. Seunarine, P. A. Sevle Myhr, R. Shah, S. Shefali, N. Shimizu, B. Skrzypek, R. Snihur, J. Soedingrekso, A. Søgaard, D. Soldin, P. Soldin, G. Sommani, C. Spannfellner, G. M. Spiczak, C. Spiering, J. Stachurska, M. Stamatikos, T. Stanev, T. Stezelberger, T. Stürwald, T. Stuttard, G. W. Sullivan, I. Taboada, S. Ter-Antonyan, A. Terliuk, A. Thakuri, M. Thiesmeyer, W. G. Thompson, J. Thwaites, S. Tilav, K. Tollefson, S. Toscano, D. Tosi, A. Trettin, A. K. Upadhyay, K. Upshaw, A. Vaidyanathan, N. Valtonen-Mattila, J. Valverde, J. Vandenbroucke, T. Van Eeden, N. van Eijndhoven, L. Van Rootselaar, J. van Santen, J. Vara, F. Varsi, M. Venugopal, M. Vereecken, S. Vergara Carrasco, S. Verpoest, D. Veske, A. Vijai, J. Villarreal, C. Walck, A. Wang, E. H. S. Warrick, C. Weaver, P. Weigel, A. Weindl, J. Weldert, A. Y. Wen, C. Wendt, J. Werthebach, M. Weyrauch, C. H. Wiebusch, D. R. Williams, L. Witthaus, M. Wolf, G. Wrede, X. W. Xu, J. P. Yanez, Y. Yao, E. Yildizci, S. Yoshida, R. Young, F. Yu, S. Yu, T. Yuan, A. Zegarelli, S. Zhang, Z. Zhang, P. Zhelnin, P. Zilberman
Published: 2025/9/30
Abstract
This Letter extends a recent IceCube sterile neutrino search to include unstable sterile neutrinos within the context of a model termed 3+1+Decay, which expands upon the 3+1 model by introducing sterile neutrino decay to invisible particles with coupling constant $g^2$. The model is attractive since it reduces tension between oscillation experiments within the global fits and with constraints that come from cosmological observables. The analysis uses 10.7 years of up-going muon neutrino data with energy 500 GeV to 100 TeV and with improved reconstruction and modeling of systematics. The best-fit point is found to be $g^2 = 0$, $\sin^2(2\theta_{24}) = 0.16$, and $\Delta m^{2}_{41} = 3.5$ eV$^2$, in agreement with the recent 3+1 sterile neutrino search. Values of $g^2 \geq \pi$ are excluded at 95\% confidence level. This result substantially limits decay parameter space indicated by recent global fits, disfavoring the decay scenario.