Search for PeV Gamma-Ray Emission from the Southern Hemisphere with 5 Yr of Data from the IceCube Observatory

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作者：

Aartsen, M. G. ^{[1
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Ackermann, M. ^{[2
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Adams, J. ^{[1
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Aguilar, J. A. ^{[3
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Ahlers, M. ^{[4
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Ahrens, M. ^{[5
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Alispach, C. ^{[7
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Andeen, K. ^{[8
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Anderson, T. ^{[9
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Ansseau, I ^{[3
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Anton, G. ^{[10
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Arguelles, C. ^{[11
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Auffenberg, J. ^{[12
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Axani, S. ^{[11
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Backes, P. ^{[12
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Bagherpour, H. ^{[1
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Bai, X. ^{[13
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Balagopal, A., V ^{[14
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Barbano, A. ^{[7
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Barwick, S. W. ^{[15
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Bastian, B. ^{[2
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Baum, V ^{[16
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Bay, R. ^{[17
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Becker, K-H ^{[21
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Tjus, J. Becker ^{[22
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Bernardini, E. ^{[2
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Besson, D. Z. ^{[25
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Binder, G. ^{[17
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Bindig, D. ^{[21
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Blaufuss, E. ^{[24
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Blot, S. ^{[2
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Bohm, C. ^{[5
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Boerner, M. ^{[27
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Boeser, S. ^{[16
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Bourbeau, E. ^{[4
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Bourbeau, J. ^{[29
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Bradascio, F. ^{[2
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Braun, J. ^{[29
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Bron, S. ^{[7
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Brostean-Kaiser, J. ^{[2
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Burgman, A. ^{[28
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Buscher, J. ^{[12
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Busse, R. S. ^{[31
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Carver, T. ^{[7
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机构：

[1] Univ Canterbury, Dept Phys & Astron, Private Bag 4800, Christchurch, New Zealand

[2] DESY, D-15738 Zeuthen, Germany

[3] Univ Libre Bruxelles, Sci Fac, CP230, B-1050 Brussels, Belgium

[4] Univ Copenhagen, Niels Bohr Inst, DK-2100 Copenhagen, Denmark

[5] Stockholm Univ, Oskar Klein Ctr, SE-10691 Stockholm, Sweden

[6] Stockholm Univ, Dept Phys, SE-10691 Stockholm, Sweden

[7] Univ Geneva, Dept Phys Nucl & Corpusculaire, CH-1211 Geneva, Switzerland

[8] Marquette Univ, Dept Phys, Milwaukee, WI 53201 USA

[9] Penn State Univ, Dept Phys, 104 Davey Lab, University Pk, PA 16802 USA

[10] Friedrich Alexander Univ Erlangen Nurnberg, Erlangen Ctr Astroparticle Phys, D-91058 Erlangen, Germany

[11] MIT, Dept Phys, Cambridge, MA 02139 USA

[12] Rhein Westfal TH Aachen, Phys Inst 3, D-52056 Aachen, Germany

[13] South Dakota Sch Mines & Technol, Phys Dept, Rapid City, SD 57701 USA

[14] Karlsruhe Inst Technol, Inst Kernphys, D-76021 Karlsruhe, Germany

[15] Univ Calif Irvine, Dept Phys & Astron, Irvine, CA 92697 USA

[16] Johannes Gutenberg Univ Mainz, Inst Phys, Staudinger Weg 7, D-55099 Mainz, Germany

[17] Univ Calif Berkeley, Dept Phys, Berkeley, CA 94720 USA

[18] Ohio State Univ, Dept Astron, Columbus, OH 43210 USA

[19] Ohio State Univ, Dept Phys, 174 W 18th Ave, Columbus, OH 43210 USA

[20] Ohio State Univ, Ctr Cosmol & Astroparticle Phys, Columbus, OH 43210 USA

[21] Univ Wuppertal, Dept Phys, D-42119 Wuppertal, Germany

[22] Ruhr Univ Bochum, Fak Phys & Astron, D-44780 Bochum, Germany

[23] Univ Rochester, Dept Phys & Astron, Rochester, NY 14627 USA

[24] Univ Maryland, Dept Phys, College Pk, MD 20742 USA

[25] Univ Kansas, Dept Phys & Astron, Lawrence, KS 66045 USA

[26] Lawrence Berkeley Natl Lab, Berkeley, CA 94720 USA

[27] TU Dortmund Univ, Dept Phys, D-44221 Dortmund, Germany

[28] Uppsala Univ, Dept Phys & Astron, Box 516, S-75120 Uppsala, Sweden

[29] Univ Wisconsin, Dept Phys, 1150 Univ Ave, Madison, WI 53706 USA

[30] Univ Wisconsin, Wisconsin IceCube Particle Astrophys, Madison, WI 53706 USA

[31] Westfalische Wilhelms Univ Munster, Inst Kernphys, D-48149 Munster, Germany

[32] Georgia Inst Technol, Sch Phys, Atlanta, GA 30332 USA

[33] Georgia Inst Technol, Ctr Relativist Astrophys, Atlanta, GA 30332 USA

[34] Sungkyunkwan Univ, Dept Phys, Suwon 16419, South Korea

[35] SNOLAB, 1039 Reg Rd 24,Creighton Mine 9, Lively, ON P3Y 1N2, Canada

[36] Univ Delaware, Bartol Res Inst, Newark, DE 19716 USA

[37] Univ Delaware, Dept Phys & Astron, Newark, DE 19716 USA

[38] Vrije Univ Brussel VUB, Dienst ELEM, B-1050 Brussels, Belgium

[39] Penn State Univ, Dept Astron & Astrophys, University Pk, PA 16802 USA

[40] Univ Ghent, Dept Phys & Astron, B-9000 Ghent, Belgium

[41] Humboldt Univ, Inst Phys, D-12489 Berlin, Germany

[42] Michigan State Univ, Dept Phys & Astron, E Lansing, MI 48824 USA

[43] Southern Univ, Dept Phys, Baton Rouge, LA 70813 USA

[44] Univ Wisconsin, Dept Astron, Madison, WI 53706 USA

[45] Tech Univ Munich, Phys Dept, D-85748 Garching, Germany

[46] Univ Alberta, Dept Phys, Edmonton, AB T6G 2E1, Canada

[47] Univ Adelaide, Dept Phys, Adelaide, SA 5005, Australia

[48] Chiba Univ, Dept Phys, Chiba 2638522, Japan

[49] Chiba Univ, Inst Global Prominent Res, Chiba 2638522, Japan

[50] Clark Atlanta Univ, CTSPS, Atlanta, GA 30314 USA

来源：

ASTROPHYSICAL JOURNAL | 2020年 / 891卷 / 01期

基金：

新加坡国家研究基金会; 瑞典研究理事会; 英国科学技术设施理事会; 瑞士国家科学基金会; 加拿大自然科学与工程研究理事会; 加拿大创新基金会; 美国国家科学基金会; 澳大利亚研究理事会;

关键词：

GALACTIC PLANE; DISCOVERY; COMPLEX;

D O I：

10.3847/1538-4357/ab6d67

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

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 similar to 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 x 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.

引用

页数：16

共 84 条

[1] The IceCube Neutrino Observatory: instrumentation and online systems [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

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Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Auer, R. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Baccus, J. ;

Bai, X. ;

Barnet, S. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Bendfelt, T. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Boersma, D. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bouchta, A. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Burgman, A. .

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[2] THE CONTRIBUTION OF FERMI-2LAC BLAZARS TO DIFFUSE TEV-PEV NEUTRINO FLUX [J].

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Adams, J. ;

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Ahlers, M. ;

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Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

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Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

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Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

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[3] SEARCH FOR SOURCES OF HIGH-ENERGY NEUTRONS WITH FOUR YEARS OF DATA FROM THE ICETOP DETECTOR [J].

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Baum, V. ;

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Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

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Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

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Barwick, S. W. ;

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Beatty, J. J. ;

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Beiser, E. ;

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Besson, D. Z. ;

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Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

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Bose, D. ;

Boeser, S. ;

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Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

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Blumenthal, J. ;

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Boeser, S. ;

Botner, O. ;

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Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

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Buzinsky, N. ;

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[6] Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data [J].

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Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

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Boliaichuk, S. ;

Bohm, C. ;

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Boeser, S. ;

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[8] Measurement of the cosmic ray energy spectrum with IceTop-73 [J].

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Beatty, J. J. ;

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Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

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Bernhard, A. ;

Bertrand, D. ;

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Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohaichuk, S. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Bruijn, R. ;

Brunner, J. ;

Carson, M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

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[9] Search for Galactic PeV gamma rays with the IceCube Neutrino Observatory [J].

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Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Bell, M. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

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Berdermann, J. ;

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Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohaichuk, S. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Brown, A. M. ;

Bruijn, R. ;

Brunner, J. ;

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Carson, M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

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[10]

Aartsen M.G., 2015, PHYS REV D, V91, DOI DOI 10.1103/PHYSREVD.91.022001

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共 84 条

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Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Auer, R. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Baccus, J. ;

Bai, X. ;

Barnet, S. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Bendfelt, T. ;

BenZvi, S. ;

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Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

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Blot, S. ;

Boersma, D. ;

Bohm, C. ;

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Bos, F. ;

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Boeser, S. ;

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[2] THE CONTRIBUTION OF FERMI-2LAC BLAZARS TO DIFFUSE TEV-PEV NEUTRINO FLUX [J].

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Archinger, M. ;

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Arlen, T. C. ;

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Aartsen M.G., 2015, PHYS REV D, V91, DOI DOI 10.1103/PHYSREVD.91.022001

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