Detection of the Geminga pulsar with MAGIC hints at a power-law tail emission beyond 15 GeV

Acciari V. A.; Ansoldi S.; Antonelli L. A.; Arbet Engels A.; Asano K.; Baack D.; Babic A.; Baquero A.; Barres De Almeida U.; Barrio J. A.; Becerra Gonzalez J.; Bednarek W.; Bellizzi L.; Bernardini E.; Bernardos M.; Berti A.; Besenrieder J.; Bhattacharyya W.; Bigongiari C.; Biland A.; Blanch O.; Bonnoli G.; Bosnjak Z.; Busetto G.; Carosi R.; Ceribella G.; Cerruti M.; Chai Y.; Chilingarian A.; Cikota S.; Colak S. M.; Colombo E.; Contreras J. L.; Cortina J.; Covino S.; D'Amico G.; D'Elia V.; Da Vela P.; Dazzi F.; De Angelis A.; De Lotto B.; Delfino M.; Delgado J.; Delgado Mendez C.; Depaoli D.; Di Girolamo T.; Di Pierro F.; Di Venere L.; Do Souto Espineira E.; Dominis Prester D.; Donini A.; Dorner D.; Doro M.; Elsaesser D.; Fallah Ramazani V.; Fattorini A.; Ferrara G.; Foffano L.; Fonseca M. V.; Font L.; Fruck C.; Fukami S.; Garcia Lopez R. J.; Garczarczyk M.; Gasparyan S.; Gaug M.; Giglietto N.; Giordano F.; Gliwny P.; Godinovic N.; Green J. G.; Green D.; Hadasch D.; Hahn A.; Heckmann L.; Herrera J.; Hoang J.; Hrupec D.; Hutten M.; Inada T.; Inoue S.; Ishio K.; Iwamura Y.; Jormanainen J.; Jouvin L.; Kajiwara Y.; Karjalainen M.; Kerszberg D.; Kobayashi Y.; Kubo H.; Kushida J.; Lamastra A.; Lelas D.; Leone F.; Lindfors E.; Lombardi S.; Longo F.; Lopez-Coto R.; Lopez-Moya M.; Lopez-Oramas A.; Loporchio S.; MacHado De Oliveira Fraga B.; Maggio C.; Majumdar P.; Makariev M.; Mallamaci M.; Maneva G.; Manganaro M.; Mannheim K.; Maraschi L.; Mariotti M.; Martinez M.; Mazin D.; Mender S.; Micanovic S.; Miceli D.; Miener T.; Minev M.; Miranda J. M.; Mirzoyan R.; Molina E.; Moralejo A.; Morcuende D.; Moreno V.; Moretti E.; Munar-Adrover P.; Neustroev V.; Nigro C.; Nilsson K.; Ninci D.; Nishijima K.; Noda K.; Nozaki S.; Ohtani Y.; Oka T.; Otero-Santos J.; Palatiello M.; Paneque D.; Paoletti R.; Paredes J. M.; Pavletic L.; Penil P.; Perennes C.; Persic M.; Prada Moroni P. G.; Prandini E.; Priyadarshi C.; Puljak I.; Rhode W.; Ribo M.; Rico J.; Righi C.; Rugliancich A.; Saha L.; Sahakyan N.; Saito T.; Sakurai S.; Satalecka K.; Saturni F. G.; Schleicher B.; Schmidt K.; Schweizer T.; Sitarek J.; Snidaric I.; Sobczynska D.; Spolon A.; Stamerra A.; Strom D.; Strzys M.; Suda Y.; Suric T.; Takahashi M.; Tavecchio F.; Temnikov P.; Terzic T.; Teshima M.; Torres-Alba N.; Tosti L.; Truzzi S.; Tutone A.; Van Scherpenberg J.; Vanzo G.; Vazquez Acosta M.; Ventura S.; Verguilov V.; Vigorito C. F.; Vitale V.; Vovk I.; Will M.; Zaric D.; Hirotani K.; Saz Parkinson P. M.

doi:10.1051/0004-6361/202039131

We report the detection of pulsed gamma-ray emission from the Geminga pulsar (PSR J0633+1746) between 15 GeV and 75 GeV. This is the first time a middle-aged pulsar has been detected up to these energies. Observations were carried out with the MAGIC telescopes between 2017 and 2019 using the low-energy threshold Sum-Trigger-II system. After quality selection cuts, ∼80 h of observational data were used for this analysis. To compare with the emission at lower energies below the sensitivity range of MAGIC, 11 years of Fermi-LAT data above 100 MeV were also analysed. From the two pulses per rotation seen by Fermi-LAT, only the second one, P2, is detected in the MAGIC energy range, with a significance of 6.3σ. The spectrum measured by MAGIC is well-represented by a simple power law of spectral index Γ = 5.62 ± 0.54, which smoothly extends the Fermi-LAT spectrum. A joint fit to MAGIC and Fermi-LAT data rules out the existence of a sub-exponential cut-off in the combined energy range at the 3.6σ significance level. The power-law tail emission detected by MAGIC is interpreted as the transition from curvature radiation to Inverse Compton Scattering of particles accelerated in the northern outer gap.