The Astrophysical Journal Letters (Jan 2023)

Constraining High-energy Neutrino Emission from Supernovae with IceCube

  • R. Abbasi,
  • M. Ackermann,
  • J. Adams,
  • S. K. Agarwalla,
  • J. A. Aguilar,
  • M. Ahlers,
  • J. M. Alameddine,
  • N. M. Amin,
  • K. Andeen,
  • G. Anton,
  • C. Argüelles,
  • Y. Ashida,
  • S. Athanasiadou,
  • S. N. Axani,
  • X. Bai,
  • A. Balagopal V.,
  • M. Baricevic,
  • S. W. Barwick,
  • V. Basu,
  • R. Bay,
  • J. J. Beatty,
  • K.-H. Becker,
  • J. Becker Tjus,
  • J. Beise,
  • C. Bellenghi,
  • S. BenZvi,
  • D. Berley,
  • E. Bernardini,
  • D. Z. Besson,
  • G. Binder,
  • D. Bindig,
  • E. Blaufuss,
  • S. Blot,
  • F. Bontempo,
  • J. Y. Book,
  • C. Boscolo Meneguolo,
  • S. Böser,
  • O. Botner,
  • J. Böttcher,
  • E. Bourbeau,
  • J. Braun,
  • B. Brinson,
  • J. Brostean-Kaiser,
  • R. T. Burley,
  • R. S. Busse,
  • D. Butterfield,
  • M. A. Campana,
  • K. Carloni,
  • E. G. Carnie-Bronca,
  • S. Chattopadhyay,
  • C. Chen,
  • Z. Chen,
  • D. Chirkin,
  • S. Choi,
  • B. A. Clark,
  • L. Classen,
  • A. Coleman,
  • G. H. Collin,
  • A. Connolly,
  • J. M. Conrad,
  • P. Coppin,
  • P. Correa,
  • S. Countryman,
  • D. F. Cowen,
  • P. Dave,
  • C. De Clercq,
  • J. J. DeLaunay,
  • D. Delgado López,
  • H. Dembinski,
  • K. Deoskar,
  • A. Desai,
  • P. Desiati,
  • K. D. de Vries,
  • G. de Wasseige,
  • T. DeYoung,
  • A. Diaz,
  • J. C. Díaz-Vélez,
  • M. Dittmer,
  • A. Domi,
  • H. Dujmovic,
  • M. A. DuVernois,
  • T. Ehrhardt,
  • P. Eller,
  • R. Engel,
  • H. Erpenbeck,
  • J. Evans,
  • P. A. Evenson,
  • K. L. Fan,
  • K. Fang,
  • A. R. Fazely,
  • A. Fedynitch,
  • N. Feigl,
  • S. Fiedlschuster,
  • C. Finley,
  • L. Fischer,
  • D. Fox,
  • A. Franckowiak,
  • E. Friedman,
  • A. Fritz,
  • P. Fürst,
  • T. K. Gaisser,
  • J. Gallagher,
  • E. Ganster,
  • A. Garcia,
  • S. Garrappa,
  • L. Gerhardt,
  • A. Ghadimi,
  • C. Glaser,
  • T. Glauch,
  • T. Glüsenkamp,
  • N. Goehlke,
  • J. G. Gonzalez,
  • S. Goswami,
  • D. Grant,
  • S. J. Gray,
  • S. Griffin,
  • S. Griswold,
  • C. Günther,
  • P. Gutjahr,
  • C. Haack,
  • A. Hallgren,
  • R. Halliday,
  • L. Halve,
  • F. Halzen,
  • H. Hamdaoui,
  • M. Ha Minh,
  • K. Hanson,
  • J. Hardin,
  • A. A. Harnisch,
  • P. Hatch,
  • A. Haungs,
  • K. Helbing,
  • J. Hellrung,
  • F. Henningsen,
  • L. Heuermann,
  • S. Hickford,
  • A. Hidvegi,
  • C. Hill,
  • G. C. Hill,
  • K. D. Hoffman,
  • K. Hoshina,
  • W. Hou,
  • T. Huber,
  • K. Hultqvist,
  • M. Hünnefeld,
  • R. Hussain,
  • K. Hymon,
  • S. In,
  • N. Iovine,
  • A. Ishihara,
  • M. Jacquart,
  • M. Jansson,
  • G. S. Japaridze,
  • K. Jayakumar,
  • M. Jeong,
  • M. Jin,
  • B. J. P. Jones,
  • D. Kang,
  • W. Kang,
  • X. Kang,
  • A. Kappes,
  • D. Kappesser,
  • L. Kardum,
  • T. Karg,
  • M. Karl,
  • A. Karle,
  • U. Katz,
  • M. Kauer,
  • J. L. Kelley,
  • A. Khatee Zathul,
  • A. Kheirandish,
  • K. Kin,
  • J. Kiryluk,
  • S. R. Klein,
  • A. Kochocki,
  • R. Koirala,
  • H. Kolanoski,
  • T. Kontrimas,
  • L. Köpke,
  • C. Kopper,
  • D. J. Koskinen,
  • P. Koundal,
  • M. Kovacevich,
  • M. Kowalski,
  • T. Kozynets,
  • K. Kruiswijk,
  • E. Krupczak,
  • A. Kumar,
  • E. Kun,
  • N. Kurahashi,
  • N. Lad,
  • C. Lagunas Gualda,
  • M. Lamoureux,
  • M. J. Larson,
  • F. Lauber,
  • J. P. Lazar,
  • J. W. Lee,
  • K. Leonard DeHolton,
  • A. Leszczyńska,
  • M. Lincetto,
  • Q. R. Liu,
  • M. Liubarska,
  • E. Lohfink,
  • C. Love,
  • C. J. Lozano Mariscal,
  • L. Lu,
  • F. Lucarelli,
  • A. Ludwig,
  • W. Luszczak,
  • Y. Lyu,
  • W. Y. Ma,
  • J. Madsen,
  • K. B. M. Mahn,
  • Y. Makino,
  • S. Mancina,
  • W. Marie Sainte,
  • I. C. Mariş,
  • S. Marka,
  • Z. Marka,
  • M. Marsee,
  • I. Martinez-Soler,
  • R. Maruyama,
  • F. Mayhew,
  • T. McElroy,
  • F. McNally,
  • J. V. Mead,
  • K. Meagher,
  • S. Mechbal,
  • A. Medina,
  • M. Meier,
  • S. Meighen-Berger,
  • Y. Merckx,
  • L. Merten,
  • J. Micallef,
  • D. Mockler,
  • T. Montaruli,
  • R. W. Moore,
  • Y. Morii,
  • R. Morse,
  • M. Moulai,
  • T. Mukherjee,
  • R. Naab,
  • R. Nagai,
  • M. Nakos,
  • U. Naumann,
  • J. Necker,
  • M. Neumann,
  • H. Niederhausen,
  • M. U. Nisa,
  • A. Noell,
  • S. C. Nowicki,
  • A. Obertacke Pollmann,
  • V. O’Dell,
  • M. Oehler,
  • B. Oeyen,
  • A. Olivas,
  • R. Orsoe,
  • J. Osborn,
  • E. O’Sullivan,
  • H. Pandya,
  • N. Park,
  • G. K. Parker,
  • E. N. Paudel,
  • L. Paul,
  • C. Pérez de los Heros,
  • J. Peterson,
  • S. Philippen,
  • S. Pieper,
  • A. Pizzuto,
  • M. Plum,
  • Y. Popovych,
  • M. Prado Rodriguez,
  • B. Pries,
  • R. Procter-Murphy,
  • G. T. Przybylski,
  • C. Raab,
  • J. Rack-Helleis,
  • K. Rawlins,
  • Z. Rechav,
  • A. Rehman,
  • P. Reichherzer,
  • G. Renzi,
  • E. Resconi,
  • S. Reusch,
  • W. Rhode,
  • M. Richman,
  • B. Riedel,
  • E. J. Roberts,
  • S. Robertson,
  • S. Rodan,
  • G. Roellinghoff,
  • M. Rongen,
  • C. Rott,
  • T. Ruhe,
  • L. Ruohan,
  • D. Ryckbosch,
  • I. Safa,
  • J. Saffer,
  • D. Salazar-Gallegos,
  • P. Sampathkumar,
  • S. E. Sanchez Herrera,
  • A. Sandrock,
  • M. Santander,
  • S. Sarkar,
  • S. Sarkar,
  • J. Savelberg,
  • P. Savina,
  • M. Schaufel,
  • H. Schieler,
  • S. Schindler,
  • B. Schlüter,
  • T. Schmidt,
  • J. Schneider,
  • F. G. Schröder,
  • L. Schumacher,
  • G. Schwefer,
  • S. Sclafani,
  • D. Seckel,
  • S. Seunarine,
  • A. Sharma,
  • S. Shefali,
  • N. Shimizu,
  • M. Silva,
  • B. Skrzypek,
  • B. Smithers,
  • R. Snihur,
  • J. Soedingrekso,
  • A. Søgaard,
  • D. Soldin,
  • G. Sommani,
  • C. Spannfellner,
  • G. M. Spiczak,
  • C. Spiering,
  • M. Stamatikos,
  • T. Stanev,
  • A. Stasik,
  • R. Stein,
  • T. Stezelberger,
  • T. Stürwald,
  • T. Stuttard,
  • G. W. Sullivan,
  • I. Taboada,
  • S. Ter-Antonyan,
  • W. G. Thompson,
  • J. Thwaites,
  • S. Tilav,
  • K. Tollefson,
  • C. Tönnis,
  • S. Toscano,
  • D. Tosi,
  • A. Trettin,
  • C. F. Tung,
  • R. Turcotte,
  • J. P. Twagirayezu,
  • B. Ty,
  • M. A. Unland Elorrieta,
  • A. K. Upadhyay,
  • K. Upshaw,
  • N. Valtonen-Mattila,
  • J. Vandenbroucke,
  • N. van Eijndhoven,
  • D. Vannerom,
  • J. van Santen,
  • J. Vara,
  • J. Veitch-Michaelis,
  • M. Venugopal,
  • S. Verpoest,
  • D. Veske,
  • C. Walck,
  • T. B. Watson,
  • C. Weaver,
  • P. Weigel,
  • A. Weindl,
  • J. Weldert,
  • C. Wendt,
  • J. Werthebach,
  • M. Weyrauch,
  • N. Whitehorn,
  • C. H. Wiebusch,
  • N. Willey,
  • D. R. Williams,
  • M. Wolf,
  • G. Wrede,
  • J. Wulff,
  • X. W. Xu,
  • J. P. Yanez,
  • E. Yildizci,
  • S. Yoshida,
  • F. Yu,
  • S. Yu,
  • T. Yuan,
  • Z. Zhang,
  • P. Zhelnin,
  • IceCube Collaboration

DOI
https://doi.org/10.3847/2041-8213/acd2c9
Journal volume & issue
Vol. 949, no. 1
p. L12

Abstract

Read online

Core-collapse supernovae are a promising potential high-energy neutrino source class. We test for correlation between seven years of IceCube neutrino data and a catalog containing more than 1000 core-collapse supernovae of types IIn and IIP and a sample of stripped-envelope supernovae. We search both for neutrino emission from individual supernovae as well as for combined emission from the whole supernova sample, through a stacking analysis. No significant spatial or temporal correlation of neutrinos with the cataloged supernovae was found. All scenarios were tested against the background expectation and together yield an overall p -value of 93%; therefore, they show consistency with the background only. The derived upper limits on the total energy emitted in neutrinos are 1.7 × 10 ^48 erg for stripped-envelope supernovae, 2.8 × 10 ^48 erg for type IIP, and 1.3 × 10 ^49 erg for type IIn SNe, the latter disfavoring models with optimistic assumptions for neutrino production in interacting supernovae. We conclude that stripped-envelope supernovae and supernovae of type IIn do not contribute more than 14.6% and 33.9%, respectively, to the diffuse neutrino flux in the energy range of about [ 10 ^3 –10 ^5 ] GeV, assuming that the neutrino energy spectrum follows a power-law with an index of −2.5. Under the same assumption, we can only constrain the contribution of type IIP SNe to no more than 59.9%. Thus, core-collapse supernovae of types IIn and stripped-envelope supernovae can both be ruled out as the dominant source of the diffuse neutrino flux under the given assumptions.

Keywords