Search for PeV Gamma-Ray Emission from the Southern Hemisphere with 5 Yr of Data from the IceCube Observatory
Authors: 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 V. A. , 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. ,   (IceCube Collaboration)
Published: February 2020

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.