Galactic cosmic ray propagation: sub-PeV diffuse gamma-ray and neutrino emission

被引：3

作者：

Qiao, Bing-Qiang ^{[1
]}

Liu, Wei ^{[1
]}

Zhao, Meng-Jie ^{[1
]}

Bi, Xiao-Jun ^{[1
]}

Guo, Yi-Qing ^{[1
,2
]}

机构：

[1] Chinese Acad Sci, Inst High Energy Phys, Key Lab Particle Astrophys, Beijing 100049, Peoples R China

[2] Univ Chinese Acad Sci, Beijing 100049, Peoples R China

来源：

FRONTIERS OF PHYSICS | 2022年 / 17卷 / 06期

基金：

中国国家自然科学基金;

关键词：

galactic cosmic ray; diffuse gamma ray; neutrino; ENERGY-SPECTRUM; ARRIVAL DIRECTIONS; ELEMENTAL GROUPS; ANISOTROPY; CONSTRAINTS; PROTONS; PLANE; KNEE; TEV;

D O I：

10.1007/s11467-022-1188-8

中图分类号：

O4 [物理学];

学科分类号：

0702 ;

摘要：

The Tibet ASy experiment just reported their measurement of sub-PeV diffuse gamma-ray emission from the Galactic disk, with the highest energy up to 957 TeV. These diffuse gamma rays are most likely the hadronic origin by cosmic ray (CR) interaction with interstellar gas in the galaxy. This measurement provides direct evidence to the hypothesis that the Galactic Cosmic Rays (GCRs) can be accelerated beyond PeV energies. In this work, we try to explain the sub-PeV diffuse gamma-ray spectrum with different CR propagation models. We find that there is a tension between the sub-PeV diffuse gamma-ray and the local CR spectrum. To describe the sub-PeV diffuse gamma-ray flux, it generally requires larger local CR flux than measurement in the knee region. We further calculate the PeV neutrino flux from the CR propagation model. Even all of these sub-PeV diffuse gamma rays originate from the propagation, the Galactic Neutrinos (GNs) only account for less than similar to 15% of observed flux, most of which are still from extragalactic sources.

引用

页数：10

共 77 条

[1] Cosmic ray spectrum from 250 TeV to 10 PeV using IceTop [J].

Aartsen, M. G. ;

Abbasi, R. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Amin, N. M. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal V, A. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K-H ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bottcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW D, 2020, 102 (12)

[2] Time-Integrated Neutrino Source Searches with 10 Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V. ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K. -H. ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bottcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 124 (05)

[3] Cosmic ray spectrum and composition from PeV to EeV using 3 years of data from IceTop and IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K-H ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Boettcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bretz, H-P ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Chen, C. .

PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)

[4] Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

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Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

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Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

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Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. .

SCIENCE, 2018, 361 (6398)

[5] Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Arsioli, B. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

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Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Ben Zvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Cheung, E. .

SCIENCE, 2018, 361 (6398) :147-+

[6] Constraints on Galactic Neutrino Emission with Seven Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

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Burgman, A. ;

Carver, T. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

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ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2017, 849 (01)

[7] ANISOTROPY IN COSMIC-RAY ARRIVAL DIRECTIONS IN THE SOUTHERN HEMISPHERE BASED ON SIX YEARS OF DATA FROM THE ICECUBE DETECTOR [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

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Beiser, E. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Buzinsky, N. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. ;

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ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2016, 826 (02)

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

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

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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. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. ;

Clark, K. ;

Classen, L. ;

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PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2014, 113 (10)

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Aartsen, M. G. ;

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Altmann, D. ;

Auffenberg, J. ;

Ba, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K-H. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Boliaichuk, S. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H-P. ;

Brown, A. M. ;

Bruijn, R. ;

Brunner, J. ;

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SCIENCE, 2013, 342 (6161) :947-+

[10] First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

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Ackermann, M. ;

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Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

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Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Bell, M. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

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. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 111 (02)

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共 77 条

[1] Cosmic ray spectrum from 250 TeV to 10 PeV using IceTop [J].

Aartsen, M. G. ;

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Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Amin, N. M. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal V, A. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K-H ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bottcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW D, 2020, 102 (12)

[2] Time-Integrated Neutrino Source Searches with 10 Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

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Ansseau, I. ;

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Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V. ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K. -H. ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

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Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bottcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 124 (05)

[3] Cosmic ray spectrum and composition from PeV to EeV using 3 years of data from IceTop and IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

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Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

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Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K-H ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

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Besson, D. Z. ;

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Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

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Boerner, M. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Boettcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bretz, H-P ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

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Chen, C. .

PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)

[4] Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

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Al Samarai, I. ;

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Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

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Bay, R. ;

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Tjus, J. Becker ;

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Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

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Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. .

SCIENCE, 2018, 361 (6398)

[5] Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert [J].

Aartsen, M. G. ;

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Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Ben Zvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

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Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Cheung, E. .

SCIENCE, 2018, 361 (6398) :147-+

[6] Constraints on Galactic Neutrino Emission with Seven Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Burgman, A. ;

Carver, T. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2017, 849 (01)

[7] ANISOTROPY IN COSMIC-RAY ARRIVAL DIRECTIONS IN THE SOUTHERN HEMISPHERE BASED ON SIX YEARS OF DATA FROM THE ICECUBE DETECTOR [J].

Aartsen, M. G. ;

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Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

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Ahlers, M. ;

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Archinger, M. ;

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Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

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