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 |
All Science Journal Classification (ASJC) codes
- Astronomy and Astrophysics
- Space and Planetary Science
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Search for PeV Gamma-Ray Emission from the Southern Hemisphere with 5 Yr of Data from the IceCube Observatory. / Aartsen, M. G.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alispach, C.; Andeen, K.; Anderson, T.; Ansseau, I.; Anton, G.; Argüelles, C.; Auffenberg, J.; Axani, S.; Backes, P.; Bagherpour, H.; Bai, X.; Balagopal, A. V.; Barbano, A.; Barwick, S. W.; Bastian, B.; Baum, V.; Baur, S.; Bay, R.; Beatty, J. J.; Becker, K. H.; Becker Tjus, J.; Benzvi, S.; Berley, D.; Bernardini, E.; Besson, D. Z.; Binder, G.; Bindig, D.; Blaufuss, E.; Blot, S.; Bohm, C.; Börner, M.; Böser, S.; Botner, O.; Böttcher, J.; Bourbeau, E.; Bourbeau, J.; Bradascio, F.; Braun, J.; Bron, S.; Brostean-Kaiser, J.; Burgman, A.; Buscher, J.; Busse, R. S.; Carver, T.; Chen, C.; Cheung, E.; Chirkin, D.; Choi, S.; Clark, K.; Classen, L.; Coleman, A.; Collin, G. H.; Conrad, J. M.; Coppin, P.; Correa, P.; Cowen, D. F.; Cross, R.; Dave, P.; Clercq, C. De; Delaunay, J. J.; Dembinski, H.; Deoskar, K.; Ridder, S. De; Desiati, P.; De Vries, K. D.; De Wasseige, G.; De With, M.; Deyoung, T.; Diaz, A.; Díaz-Vélez, J. C.; Dujmovic, H.; Dunkman, M.; Dvorak, E.; Eberhardt, B.; Ehrhardt, T.; Eller, P.; Engel, R.; Evenson, P. A.; Fahey, S.; Fazely, A. R.; Felde, J.; Filimonov, K.; Finley, C.; Franckowiak, A.; Friedman, E.; Fritz, A.; Gaisser, T. K.; Gallagher, J.; Ganster, E.; Garrappa, S.; Gerhardt, L.; Ghorbani, K.; Glauch, T.; Glüsenkamp, T.; Goldschmidt, A.; Gonzalez, J. G.; Grant, D.; Griffith, Z.; Griswold, S.; Günder, M.; Gündüz, M.; Haack, C.; Hallgren, A.; Halve, L.; Halzen, F.; Hanson, K.; Haungs, A.; Hebecker, D.; Heereman, D.; Heix, P.; Helbing, K.; Hellauer, R.; Henningsen, F.; Hickford, S.; Hignight, J.; Hill, G. C.; Hoffman, K. D.; Hoffmann, R.; Hoinka, T.; Hokanson-Fasig, B.; Hoshina, K.; Huang, F.; Huber, M.; Huber, T.; Hultqvist, K.; Hünnefeld, M.; Hussain, R.; In, S.; Iovine, N.; Ishihara, A.; Japaridze, G. S.; Jeong, M.; Jero, K.; Jones, B. J.P.; Jonske, F.; Joppe, R.; Kang, D.; Kang, W.; Kappes, A.; Kappesser, D.; Karg, T.; Karl, M.; Karle, A.; Katz, U.; Kauer, M.; Kelley, J. L.; Kheirandish, A.; Kim, J.; Kintscher, T.; Kiryluk, J.; Kittler, T.; Klein, S. R.; Koirala, R.; Kolanoski, H.; Köpke, L.; Kopper, C.; Kopper, S.; Koskinen, D. J.; Kowalski, M.; Krings, K.; Krückl, G.; Kulacz, N.; Kurahashi, N.; Kyriacou, A.; Labare, M.; Lanfranchi, J. L.; Larson, M. J.; Lauber, F.; Lazar, J. P.; Leonard, K.; Leszczyńska, A.; Leuermann, M.; Liu, Q. R.; Lohfink, E.; Lozano Mariscal, C. J.; Lu, L.; Lucarelli, F.; Lünemann, J.; Luszczak, W.; Lyu, Y.; Ma, W. Y.; Madsen, J.; Maggi, G.; Mahn, K. B.M.; Makino, Y.; Mallik, P.; Mallot, K.; Mancina, S.; Mariş, I. C.; Maruyama, R.; Mase, K.; Maunu, R.; McNally, F.; Meagher, K.; Medici, M.; Medina, A.; Meier, M.; Meighen-Berger, S.; Menne, T.; Merino, G.; Meures, T.; Micallef, J.; Mockler, D.; Momenté, G.; Montaruli, T.; Moore, R. W.; Morse, R.; Moulai, M.; Muth, P.; Nagai, R.; Naumann, U.; Neer, G.; Niederhausen, H.; Nowicki, S. C.; Nygren, D. R.; Obertacke Pollmann, A.; Oehler, M.; Olivas, A.; O'Murchadha, A.; O'Sullivan, E.; Palczewski, T.; Pandya, H.; Pankova, D. V.; Park, N.; Peiffer, P.; Pérez De Los Heros, C.; Philippen, S.; Pieloth, D.; Pinat, E.; Pizzuto, A.; Plum, M.; Porcelli, A.; Price, P. B.; Przybylski, G. T.; Raab, C.; Raissi, A.; Rameez, M.; Rauch, L.; Rawlins, K.; Rea, I. C.; Reimann, R.; Relethford, B.; Renschler, M.; Renzi, G.; Resconi, E.; Rhode, W.; Richman, M.; Robertson, S.; Rongen, M.; Rott, C.; Ruhe, T.; Ryckbosch, D.; Rysewyk, D.; Safa, I.; Sanchez Herrera, S. E.; Sandrock, A.; Sandroos, J.; Santander, M.; Sarkar, S.; Sarkar, S.; Satalecka, K.; Schaufel, M.; Schieler, H.; Schlunder, P.; Schmidt, T.; Schneider, A.; Schneider, J.; Schröder, F. G.; Schumacher, L.; Sclafani, S.; Seckel, D.; Seunarine, S.; Shefali, S.; Silva, M.; Snihur, R.; Soedingrekso, J.; Soldin, D.; Song, M.; Spiczak, G. M.; Spiering, C.; Stachurska, J.; Stamatikos, M.; Stanev, T.; Stein, R.; Steinmüller, P.; Stettner, J.; Steuer, A.; Stezelberger, T.; Stokstad, R. G.; Stößl, A.; Strotjohann, N. L.; Stürwald, T.; Stuttard, T.; Sullivan, G. W.; Taboada, I.; Tenholt, F.; Ter-Antonyan, S.; Terliuk, A.; Tilav, S.; Tollefson, K.; Tomankova, L.; Tönnis, C.; Toscano, S.; Tosi, D.; Trettin, A.; Tselengidou, M.; Tung, C. F.; Turcati, A.; Turcotte, R.; Turley, C. F.; Ty, B.; Unger, E.; Unland Elorrieta, M. A.; Usner, M.; Vandenbroucke, J.; Van Driessche, W.; Van Eijk, D.; Van Eijndhoven, N.; Vanheule, S.; Van Santen, J.; Vraeghe, M.; Walck, C.; Wallace, A.; Wallraff, M.; Wandkowsky, N.; Watson, T. B.; Weaver, C.; Weindl, A.; Weiss, M. J.; Weldert, J.; Wendt, C.; Werthebach, J.; Whelan, B. J.; Whitehorn, N.; Wiebe, K.; Wiebusch, C. H.; Wille, L.; Williams, D. R.; Wills, L.; Wolf, M.; Wood, J.; Wood, T. R.; Woschnagg, K.; Wrede, G.; Xu, D. L.; Xu, X. W.; Xu, Y.; Yanez, J. P.; Yodh, G.; Yoshida, S.; Yuan, T.; Zöcklein, M.
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
AU - Aartsen, M. G.
AU - Ackermann, M.
AU - Adams, J.
AU - Aguilar, J. A.
AU - Ahlers, M.
AU - Ahrens, M.
AU - Alispach, C.
AU - Andeen, K.
AU - Anderson, T.
AU - Ansseau, I.
AU - Anton, G.
AU - Argüelles, C.
AU - Auffenberg, J.
AU - Axani, S.
AU - Backes, P.
AU - Bagherpour, H.
AU - Bai, X.
AU - Balagopal, A. V.
AU - Barbano, A.
AU - Barwick, S. W.
AU - Bastian, B.
AU - Baum, V.
AU - Baur, S.
AU - Bay, R.
AU - Beatty, J. J.
AU - Becker, K. H.
AU - Becker Tjus, J.
AU - Benzvi, S.
AU - Berley, D.
AU - Bernardini, E.
AU - Besson, D. Z.
AU - Binder, G.
AU - Bindig, D.
AU - Blaufuss, E.
AU - Blot, S.
AU - Bohm, C.
AU - Börner, M.
AU - Böser, S.
AU - Botner, O.
AU - Böttcher, J.
AU - Bourbeau, E.
AU - Bourbeau, J.
AU - Bradascio, F.
AU - Braun, J.
AU - Bron, S.
AU - Brostean-Kaiser, J.
AU - Burgman, A.
AU - Buscher, J.
AU - Busse, R. S.
AU - Carver, T.
AU - Chen, C.
AU - Cheung, E.
AU - Chirkin, D.
AU - Choi, S.
AU - Clark, K.
AU - Classen, L.
AU - Coleman, A.
AU - Collin, G. H.
AU - Conrad, J. M.
AU - Coppin, P.
AU - Correa, P.
AU - Cowen, D. F.
AU - Cross, R.
AU - Dave, P.
AU - Clercq, C. De
AU - Delaunay, J. J.
AU - Dembinski, H.
AU - Deoskar, K.
AU - Ridder, S. De
AU - Desiati, P.
AU - De Vries, K. D.
AU - De Wasseige, G.
AU - De With, M.
AU - Deyoung, T.
AU - Diaz, A.
AU - Díaz-Vélez, J. C.
AU - Dujmovic, H.
AU - Dunkman, M.
AU - Dvorak, E.
AU - Eberhardt, B.
AU - Ehrhardt, T.
AU - Eller, P.
AU - Engel, R.
AU - Evenson, P. A.
AU - Fahey, S.
AU - Fazely, A. R.
AU - Felde, J.
AU - Filimonov, K.
AU - Finley, C.
AU - Franckowiak, A.
AU - Friedman, E.
AU - Fritz, A.
AU - Gaisser, T. K.
AU - Gallagher, J.
AU - Ganster, E.
AU - Garrappa, S.
AU - Gerhardt, L.
AU - Ghorbani, K.
AU - Glauch, T.
AU - Glüsenkamp, T.
AU - Goldschmidt, A.
AU - Gonzalez, J. G.
AU - Grant, D.
AU - Griffith, Z.
AU - Griswold, S.
AU - Günder, M.
AU - Gündüz, M.
AU - Haack, C.
AU - Hallgren, A.
AU - Halve, L.
AU - Halzen, F.
AU - Hanson, K.
AU - Haungs, A.
AU - Hebecker, D.
AU - Heereman, D.
AU - Heix, P.
AU - Helbing, K.
AU - Hellauer, R.
AU - Henningsen, F.
AU - Hickford, S.
AU - Hignight, J.
AU - Hill, G. C.
AU - Hoffman, K. D.
AU - Hoffmann, R.
AU - Hoinka, T.
AU - Hokanson-Fasig, B.
AU - Hoshina, K.
AU - Huang, F.
AU - Huber, M.
AU - Huber, T.
AU - Hultqvist, K.
AU - Hünnefeld, M.
AU - Hussain, R.
AU - In, S.
AU - Iovine, N.
AU - Ishihara, A.
AU - Japaridze, G. S.
AU - Jeong, M.
AU - Jero, K.
AU - Jones, B. J.P.
AU - Jonske, F.
AU - Joppe, R.
AU - Kang, D.
AU - Kang, W.
AU - Kappes, A.
AU - Kappesser, D.
AU - Karg, T.
AU - Karl, M.
AU - Karle, A.
AU - Katz, U.
AU - Kauer, M.
AU - Kelley, J. L.
AU - Kheirandish, A.
AU - Kim, J.
AU - Kintscher, T.
AU - Kiryluk, J.
AU - Kittler, T.
AU - Klein, S. R.
AU - Koirala, R.
AU - Kolanoski, H.
AU - Köpke, L.
AU - Kopper, C.
AU - Kopper, S.
AU - Koskinen, D. J.
AU - Kowalski, M.
AU - Krings, K.
AU - Krückl, G.
AU - Kulacz, N.
AU - Kurahashi, N.
AU - Kyriacou, A.
AU - Labare, M.
AU - Lanfranchi, J. L.
AU - Larson, M. J.
AU - Lauber, F.
AU - Lazar, J. P.
AU - Leonard, K.
AU - Leszczyńska, A.
AU - Leuermann, M.
AU - Liu, Q. R.
AU - Lohfink, E.
AU - Lozano Mariscal, C. J.
AU - Lu, L.
AU - Lucarelli, F.
AU - Lünemann, J.
AU - Luszczak, W.
AU - Lyu, Y.
AU - Ma, W. Y.
AU - Madsen, J.
AU - Maggi, G.
AU - Mahn, K. B.M.
AU - Makino, Y.
AU - Mallik, P.
AU - Mallot, K.
AU - Mancina, S.
AU - Mariş, I. C.
AU - Maruyama, R.
AU - Mase, K.
AU - Maunu, R.
AU - McNally, F.
AU - Meagher, K.
AU - Medici, M.
AU - Medina, A.
AU - Meier, M.
AU - Meighen-Berger, S.
AU - Menne, T.
AU - Merino, G.
AU - Meures, T.
AU - Micallef, J.
AU - Mockler, D.
AU - Momenté, G.
AU - Montaruli, T.
AU - Moore, R. W.
AU - Morse, R.
AU - Moulai, M.
AU - Muth, P.
AU - Nagai, R.
AU - Naumann, U.
AU - Neer, G.
AU - Niederhausen, H.
AU - Nowicki, S. C.
AU - Nygren, D. R.
AU - Obertacke Pollmann, A.
AU - Oehler, M.
AU - Olivas, A.
AU - O'Murchadha, A.
AU - O'Sullivan, E.
AU - Palczewski, T.
AU - Pandya, H.
AU - Pankova, D. V.
AU - Park, N.
AU - Peiffer, P.
AU - Pérez De Los Heros, C.
AU - Philippen, S.
AU - Pieloth, D.
AU - Pinat, E.
AU - Pizzuto, A.
AU - Plum, M.
AU - Porcelli, A.
AU - Price, P. B.
AU - Przybylski, G. T.
AU - Raab, C.
AU - Raissi, A.
AU - Rameez, M.
AU - Rauch, L.
AU - Rawlins, K.
AU - Rea, I. C.
AU - Reimann, R.
AU - Relethford, B.
AU - Renschler, M.
AU - Renzi, G.
AU - Resconi, E.
AU - Rhode, W.
AU - Richman, M.
AU - Robertson, S.
AU - Rongen, M.
AU - Rott, C.
AU - Ruhe, T.
AU - Ryckbosch, D.
AU - Rysewyk, D.
AU - Safa, I.
AU - Sanchez Herrera, S. E.
AU - Sandrock, A.
AU - Sandroos, J.
AU - Santander, M.
AU - Sarkar, S.
AU - Sarkar, S.
AU - Satalecka, K.
AU - Schaufel, M.
AU - Schieler, H.
AU - Schlunder, P.
AU - Schmidt, T.
AU - Schneider, A.
AU - Schneider, J.
AU - Schröder, F. G.
AU - Schumacher, L.
AU - Sclafani, S.
AU - Seckel, D.
AU - Seunarine, S.
AU - Shefali, S.
AU - Silva, M.
AU - Snihur, R.
AU - Soedingrekso, J.
AU - Soldin, D.
AU - Song, M.
AU - Spiczak, G. M.
AU - Spiering, C.
AU - Stachurska, J.
AU - Stamatikos, M.
AU - Stanev, T.
AU - Stein, R.
AU - Steinmüller, P.
AU - Stettner, J.
AU - Steuer, A.
AU - Stezelberger, T.
AU - Stokstad, R. G.
AU - Stößl, A.
AU - Strotjohann, N. L.
AU - Stürwald, T.
AU - Stuttard, T.
AU - Sullivan, G. W.
AU - Taboada, I.
AU - Tenholt, F.
AU - Ter-Antonyan, S.
AU - Terliuk, A.
AU - Tilav, S.
AU - Tollefson, K.
AU - Tomankova, L.
AU - Tönnis, C.
AU - Toscano, S.
AU - Tosi, D.
AU - Trettin, A.
AU - Tselengidou, M.
AU - Tung, C. F.
AU - Turcati, A.
AU - Turcotte, R.
AU - Turley, C. F.
AU - Ty, B.
AU - Unger, E.
AU - Unland Elorrieta, M. A.
AU - Usner, M.
AU - Vandenbroucke, J.
AU - Van Driessche, W.
AU - Van Eijk, D.
AU - Van Eijndhoven, N.
AU - Vanheule, S.
AU - Van Santen, J.
AU - Vraeghe, M.
AU - Walck, C.
AU - Wallace, A.
AU - Wallraff, M.
AU - Wandkowsky, N.
AU - Watson, T. B.
AU - Weaver, C.
AU - Weindl, A.
AU - Weiss, M. J.
AU - Weldert, J.
AU - Wendt, C.
AU - Werthebach, J.
AU - Whelan, B. J.
AU - Whitehorn, N.
AU - Wiebe, K.
AU - Wiebusch, C. H.
AU - Wille, L.
AU - Williams, D. R.
AU - Wills, L.
AU - Wolf, M.
AU - Wood, J.
AU - Wood, T. R.
AU - Woschnagg, K.
AU - Wrede, G.
AU - Xu, D. L.
AU - Xu, X. W.
AU - Xu, Y.
AU - Yanez, J. P.
AU - Yodh, G.
AU - Yoshida, S.
AU - Yuan, T.
AU - Zöcklein, M.
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
VL - 891
JO - Astrophysical Journal
JF - Astrophysical Journal
SN - 0004-637X
IS - 1
M1 - 9
ER -