Abstract
The measurement of diffuse PeV gamma-ray emission from the Galactic plane would provide information about the energy spectrum and propagation of Galactic cosmic rays, and the detection of a pointlike source of PeV gamma-rays would be strong evidence for a Galactic source capable of accelerating cosmic rays up to at least a few PeV. This paper presents several unbinned maximum-likelihood searches for PeV gamma-rays in the Southern Hemisphere using 5 yr of data from the IceTop air shower surface detector and the in-ice array of the IceCube Observatory. The combination of both detectors takes advantage of the low muon content and deep shower maximum of gamma-ray air showers and provides excellent sensitivity to gamma-rays between ∼0.6 and 100 PeV. Our measurements of pointlike and diffuse Galactic emission of PeV gamma-rays are consistent with the background, so we constrain the angle-integrated diffuse gamma-ray flux from the Galactic plane at 2 PeV to 2.61 × 10-19 cm-2 s-1 TeV-1 at 90% confidence, assuming an E -3 spectrum, and we estimate 90% upper limits on pointlike emission at 2 PeV between 10-21 and 10-20 cm-2 s-1 TeV-1 for an E -2 spectrum, depending on decl. Furthermore, we exclude unbroken power-law emission up to 2 PeV for several TeV gamma-ray sources observed by the High Energy Spectroscopic System and calculate upper limits on the energy cutoffs of these sources at 90% confidence. We also find no PeV gamma-rays correlated with neutrinos from IceCube's high-energy starting event sample. These are currently the strongest constraints on PeV gamma-ray emission.
| Original language | English (US) |
|---|---|
| Article number | 9 |
| Journal | Astrophysical Journal |
| Volume | 891 |
| Issue number | 1 |
| DOIs | |
| State | Published - Mar 1 2020 |
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- Astronomy and Astrophysics
- Space and Planetary Science
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In: Astrophysical Journal, Vol. 891, No. 1, 9, 01.03.2020.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review
TY - JOUR
T1 - Search for PeV Gamma-Ray Emission from the Southern Hemisphere with 5 Yr of Data from the IceCube Observatory
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N1 - Publisher Copyright: © 2020. The American Astronomical Society. All rights reserved.
PY - 2020/3/1
Y1 - 2020/3/1
N2 - The measurement of diffuse PeV gamma-ray emission from the Galactic plane would provide information about the energy spectrum and propagation of Galactic cosmic rays, and the detection of a pointlike source of PeV gamma-rays would be strong evidence for a Galactic source capable of accelerating cosmic rays up to at least a few PeV. This paper presents several unbinned maximum-likelihood searches for PeV gamma-rays in the Southern Hemisphere using 5 yr of data from the IceTop air shower surface detector and the in-ice array of the IceCube Observatory. The combination of both detectors takes advantage of the low muon content and deep shower maximum of gamma-ray air showers and provides excellent sensitivity to gamma-rays between ∼0.6 and 100 PeV. Our measurements of pointlike and diffuse Galactic emission of PeV gamma-rays are consistent with the background, so we constrain the angle-integrated diffuse gamma-ray flux from the Galactic plane at 2 PeV to 2.61 × 10-19 cm-2 s-1 TeV-1 at 90% confidence, assuming an E -3 spectrum, and we estimate 90% upper limits on pointlike emission at 2 PeV between 10-21 and 10-20 cm-2 s-1 TeV-1 for an E -2 spectrum, depending on decl. Furthermore, we exclude unbroken power-law emission up to 2 PeV for several TeV gamma-ray sources observed by the High Energy Spectroscopic System and calculate upper limits on the energy cutoffs of these sources at 90% confidence. We also find no PeV gamma-rays correlated with neutrinos from IceCube's high-energy starting event sample. These are currently the strongest constraints on PeV gamma-ray emission.
AB - The measurement of diffuse PeV gamma-ray emission from the Galactic plane would provide information about the energy spectrum and propagation of Galactic cosmic rays, and the detection of a pointlike source of PeV gamma-rays would be strong evidence for a Galactic source capable of accelerating cosmic rays up to at least a few PeV. This paper presents several unbinned maximum-likelihood searches for PeV gamma-rays in the Southern Hemisphere using 5 yr of data from the IceTop air shower surface detector and the in-ice array of the IceCube Observatory. The combination of both detectors takes advantage of the low muon content and deep shower maximum of gamma-ray air showers and provides excellent sensitivity to gamma-rays between ∼0.6 and 100 PeV. Our measurements of pointlike and diffuse Galactic emission of PeV gamma-rays are consistent with the background, so we constrain the angle-integrated diffuse gamma-ray flux from the Galactic plane at 2 PeV to 2.61 × 10-19 cm-2 s-1 TeV-1 at 90% confidence, assuming an E -3 spectrum, and we estimate 90% upper limits on pointlike emission at 2 PeV between 10-21 and 10-20 cm-2 s-1 TeV-1 for an E -2 spectrum, depending on decl. Furthermore, we exclude unbroken power-law emission up to 2 PeV for several TeV gamma-ray sources observed by the High Energy Spectroscopic System and calculate upper limits on the energy cutoffs of these sources at 90% confidence. We also find no PeV gamma-rays correlated with neutrinos from IceCube's high-energy starting event sample. These are currently the strongest constraints on PeV gamma-ray emission.
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85085598746&partnerID=8YFLogxK
UR - http://www.scopus.com/inward/citedby.url?scp=85085598746&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.3847/1538-4357/ab6d67
DO - 10.3847/1538-4357/ab6d67
M3 - Article
AN - SCOPUS:85085598746
SN - 0004-637X
VL - 891
JO - Astrophysical Journal
JF - Astrophysical Journal
IS - 1
M1 - 9
ER -