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.; Arguelles, 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.; Borner, M.; 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.; 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. D.; Delaunay, J. J.; Dembinski, H.; Deoskar, K.; Ridder, S. D.; Desiati, P.; De Vries, K. D.; De Wasseige, G.; De With, M.; Deyoung, T.; Diaz, A.; Diaz-Velez, 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.; Glusenkamp, T.; Goldschmidt, A.; Gonzalez, J. G.; Grant, D.; Griffith, Z.; Griswold, S.; Gunder, M.; Gunduz, 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.; Hunnefeld, 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.; Kopke, L.; Kopper, C.; Kopper, S.; Koskinen, D. J.; Kowalski, M.; Krings, K.; Kruckl, G.; Kulacz, N.; Kurahashi, N.; Kyriacou, A.; Labare, M.; Lanfranchi, J. L.; Larson, M. J.; Lauber, F.; Lazar, J. P.; Leonard, K.; Leszczynska, A.; Leuermann, M.; Liu, Q. R.; Lohfink, E.; Lozano Mariscal, C. J.; Lu, L.; Lucarelli, F.; Lunemann, J.; Luszczak, W.; Lyu, Y.; W. Y., Ma; Madsen, J.; Maggi, G.; Mahn, K. B. M.; Makino, Y.; Mallik, P.; Mallot, K.; Mancina, S.; Maris, 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.; Momente, 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.; Perez 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.; Schroder, 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.; Steinmuller, P.; Stettner, J.; Steuer, A.; Stezelberger, T.; Stokstad, R. G.; Stossl, A.; Strotjohann, N. L.; Sturwald, T.; Stuttard, T.; Sullivan, G. W.; Taboada, I.; Tenholt, F.; Ter-Antonyan, S.; Terliuk, A.; Tilav, S.; Tollefson, K.; Tomankova, L.; Tonnis, 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.; D. L., Xu; X. W., Xu; Xu, Y.; Yanez, J. P.; Yodh, G.; Yoshida, S.; Yuan, T.; Zocklein, M.

doi:10.3847/1538-4357/ab6d67

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.