Probing the origin of cosmic rays with extremely high energy neutrinos using the IceCube Observatory

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作者：

Aartsen, M. G. ^{[2
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Ackermann, M. ^{[50
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Adams, J. ^{[16
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Aguilar, J. A. ^{[25
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Ahlers, M. ^{[31
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Altmann, D. ^{[24
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Arguelles, C. ^{[31
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Auffenberg, J. ^{[31
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Bai, X. ^{[36
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Baker, M. ^{[31
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Barwick, S. W. ^{[27
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Baum, V. ^{[33
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Bay, R. ^{[8
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Besson, D. Z. ^{[29
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Bissok, M. ^{[1
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Blumenthal, J. ^{[1
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Brown, A. M. ^{[16
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Chirkin, D. ^{[31
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Christov, A. ^{[25
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Christy, B. ^{[17
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Clark, K. ^{[44
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Clevermann, F. ^{[22
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Coenders, S. ^{[1
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Cohen, S. ^{[28
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Cowen, D. F. ^{[46
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Silva, A. H. Cruz ^{[50
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Danninger, M. ^{[40
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Daughhetee, J. ^{[5
,6
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机构：

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

[2] Univ Adelaide, Sch Chem & Phys, Adelaide, SA 5005, Australia

[3] Univ Alaska Anchorage, Dept Phys & Astron, Anchorage, AK 99508 USA

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

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

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

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

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

[9] Univ Calif Berkeley, Lawrence Berkeley Natl Lab, Berkeley, CA 94720 USA

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

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

[12] Univ Bonn, Inst Phys, D-53115 Bonn, Germany

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

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

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

[16] Univ Canterbury, Dept Phys & Astron, Christchurch 1, New Zealand

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

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

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

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

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

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

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

[24] Univ Erlangen Nurnberg, Erlangen Ctr Astroparticle Phys, D-91058 Erlangen, Germany

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

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

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

[28] Ecole Polytech Fed Lausanne, High Energy Phys Lab, CH-1015 Lausanne, Switzerland

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

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

[31] Univ Wisconsin, Dept Phys, Madison, WI 53706 USA

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

[33] Johannes Gutenberg Univ Mainz, Inst Phys, D-55099 Mainz, Germany

[34] Univ Mons, B-7000 Mons, Belgium

[35] Tech Univ Munich, D-85748 Garching, Germany

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

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

[38] Univ Oxford, Dept Phys, Oxford OX1 3NP, England

[39] Univ Wisconsin, Dept Phys, River Falls, WI 54022 USA

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

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

[42] SUNY Stony Brook, Dept Phys & Astron, Stony Brook, NY 11794 USA

[43] Sungkyunkwan Univ, Dept Phys, Suwon 440746, South Korea

[44] Univ Toronto, Dept Phys, Toronto, ON M5S 1A7, Canada

[45] Univ Alabama, Dept Phys & Astron, Tuscaloosa, AL 35487 USA

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

[47] Penn State Univ, Dept Phys, University Pk, PA 16802 USA

[48] Uppsala Univ, Dept Phys & Astron, S-75120 Uppsala, Sweden

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

[50] DESY, D-15735 Zeuthen, Germany

来源：

PHYSICAL REVIEW D | 2013年 / 88卷 / 11期

基金：

瑞士国家科学基金会; 瑞典研究理事会; 美国国家科学基金会; 澳大利亚研究理事会; 加拿大自然科学与工程研究理事会; 新加坡国家研究基金会;

关键词：

COSMOGENIC NEUTRINOS; SPECTRUM; LIMIT; PERFORMANCE; COMPONENT; SELECTION; MODEL; FLUX;

D O I：

10.1103/PhysRevD.88.112008

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

We have searched for extremely high energy neutrinos using data taken with the IceCube detector between May 2010 and May 2012. Two neutrino-induced particle shower events with energies around 1 PeV were observed, as reported previously. In this work, we investigate whether these events could originate from cosmogenic neutrinos produced in the interactions of ultrahigh energy cosmic rays with ambient photons while propagating through intergalactic space. Exploiting IceCube's large exposure for extremely high energy neutrinos and the lack of observed events above 100 PeV, we can rule out the corresponding models at more than 90% confidence level. The model-independent quasidifferential 90% C. L. upper limit, which amounts to E-2 phi(nu e)+(nu mu)+(nu tau) = 1.2 x 10(-7) GeV cm(-2) s(-1) sr(-1) at 1 EeV, provides the most stringent constraint in the energy range from 10 PeV to 10 EeV. Our observation disfavors strong cosmological evolution of the highest energy cosmic-ray sources such as the Fanaroff-Riley type II class of radio galaxies.

引用

页数：15

共 63 条

[1] Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector [J].

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Boliaichuk, S. ;

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Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

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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. ;

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Berley, D. ;

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Blaufuss, E. ;

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Bohaichuk, S. ;

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Bechet, S. ;

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Becker, K-H. ;

Bell, M. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

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Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohaichuk, S. ;

Bohm, C. ;

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Boeser, S. ;

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Bindig, D. ;

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Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

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Bose, D. ;

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Buitink, S. ;

Caballero-Mora, K. S. ;

Carson, M. ;

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[7] Constraints on the extremely-high energy cosmic neutrino flux with the IceCube 2008-2009 data [J].

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Boeser, S. ;

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Braun, J. ;

Brown, A. M. ;

Buitink, S. ;

Carson, M. ;

Chirkin, D. ;

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Clem, J. ;

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[8] First search for extremely high energy cosmogenic neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory [J].

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Bradley, L. ;

Braun, J. ;

Buitink, S. ;

Carson, M. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clem, J. ;

Clevermann, F. ;

Cohen, S. ;

Colnard, C. ;

Cowen, D. F. ;

D'Agostino, M. V. ;

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De Clercq, C. ;

Demiroers, L. ;

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[9] Calibration and characterization of the IceCube photomultiplier tube [J].

Abbasi, R. ;

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Adams, J. ;

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Barwick, S. W. ;

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Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Becker, J. K. ;

Becker, K. -H. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Botner, O. ;

Bradley, L. ;

Braun, J. ;

Buitink, S. ;

Carson, M. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clem, J. ;

Cohen, S. ;

Colnard, C. ;

Cowen, D. F. ;

D'Agostino, M. V. ;

Danninger, M. ;

De Clercq, C. ;

Demiroers, L. ;

Depaepe, O. ;

Descamps, F. ;

Desiati, P. ;

de Vries-Uiterweerd, G. ;

DeYoung, T. ;

Diaz-Velez, J. C. .

NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2010, 618 (1-3) :139-152

[10] The IceCube data acquisition system: Signal capture, digitization, and timestamping [J].

Abbasi, R. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, J. ;

Andeen, K. ;

Auffenberge, J. ;

Bai, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Bay, R. ;

Alba, J. L. Bazo ;

Beattie, K. ;

Becka, T. ;

Becker, J. K. ;

Becker, K-H. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bingham, B. ;

Blaufuss, E. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bolmont, J. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Breeder, D. ;

Burgess, T. ;

Carithers, W. ;

Castermans, T. ;

Chen, H. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clem, J. ;

Cowen, D. F. ;

D'Agostino, M. V. ;

Danninger, M. ;

Davour, A. ;

Day, C. T. ;

Depaepe, O. ;

De Clercq, C. ;

Demiroers, L. ;

Descamps, F. ;

Desiati, P. ;

de Vries-Uiterweerd, G. ;

DeYoung, T. ;

Diaz-Velez, J. C. .

NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2009, 601 (03) :294-316

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共 63 条

[1] Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector [J].

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Alders, M. ;

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. ;

Carson, M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

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Ahlers, M. ;

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Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

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. ;

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Casier, M. ;

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[3] Measurement of South Pole ice transparency with the IceCube LED calibration system [J].

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Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

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. ;

Brown, A. M. ;

Bruijn, R. ;

Brunner, J. ;

Buitink, S. ;

Carson, M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

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[6] The design and performance of IceCube DeepCore [J].

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[8] First search for extremely high energy cosmogenic neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory [J].

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[9] Calibration and characterization of the IceCube photomultiplier tube [J].

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Benabderrahmane, M. L. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

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Besson, D. Z. ;

Bissok, M. ;

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Botner, O. ;

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Buitink, S. ;

Carson, M. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

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[10] The IceCube data acquisition system: Signal capture, digitization, and timestamping [J].

Abbasi, R. ;

Ackermann, M. ;

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Auffenberge, J. ;

Bai, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Bay, R. ;

Alba, J. L. Bazo ;

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Becka, T. ;

Becker, J. K. ;

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Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bingham, B. ;

Blaufuss, E. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bolmont, J. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Breeder, D. ;

Burgess, T. ;

Carithers, W. ;

Castermans, T. ;

Chen, H. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

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Cowen, D. F. ;

D'Agostino, M. V. ;

Danninger, M. ;

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Day, C. T. ;

Depaepe, O. ;

De Clercq, C. ;

Demiroers, L. ;

Descamps, F. ;

Desiati, P. ;

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