Search for Extremely-High-Energy Neutrinos and First Constraints on the Ultrahigh-Energy Cosmic-Ray Proton Fraction with IceCube

Abbasi, R.; Ackermann, M.; Adams, J.; Agarwalla, S. K.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Alameddine, J. M.; Amin, N. M.; Andeen, K.; Arguelles, C.; Ashida, Y.; Athanasiadou, S.; Axani, S. N.; Babu, R.; Bai, X.; Balagopal V, A.; Baricevic, M.; Barwick, S. W.; Bash, S.; Basu, V.; Bay, R.; Beatty, J. J.; Becker Tjus, J.; Beise, J.; Bellenghi, C.; Benzvi, S.; Berley, D.; Bernardini, E.; Besson, D. Z.; Blaufuss, E.; Bloom, L.; Blot, S.; Bontempo, F.; Book Motzkin, J. Y.; Boscolo Meneguolo, C.; Boser, S.; Botner, O.; Bottcher, J.; Braun, J.; Brinson, B.; Brisson-Tsavoussis, Z.; Brostean-Kaiser, J.; Brusa, L.; Burley, R. T.; Butterfield, D.; Campana, M. A.; Caracas, I.; Carloni, K.; Carpio, J.; Chattopadhyay, S.; Chau, N.; Chen, Z.; Chirkin, D.; Choi, S.; Clark, B. A.; Coleman, A.; Coleman, P.; Collin, G. H.; Connolly, A.; Conrad, J. M.; Corley, R.; Cowen, D. F.; De Clercq, C.; Delaunay, J. J.; Delgado, D.; Deng, S.; Desai, A.; Desiati, P.; De Vries, K. D.; De Wasseige, G.; Deyoung, T.; Diaz, A.; Diaz-Velez, J. C.; Dierichs, P.; Dittmer, M.; Domi, A.; Draper, L.; Dujmovic, H.; Durnford, D.; Dutta, K.; Duvernois, M. A.; Ehrhardt, T.; Eidenschink, L.; Eimer, A.; Eller, P.; Ellinger, E.; El Mentawi, S.; Elsasser, D.; Engel, R.; Erpenbeck, H.; Esmail, W.; Evans, J.; Evenson, P. A.; Fan, K. L.; Fang, K.; Farrag, K.; Fazely, A. R.; Fedynitch, A.; Feigl, N.; Fiedlschuster, S.; Finley, C.; Fischer, L.; Fox, D.; Franckowiak, A.; Fukami, S.; Furst, P.; Gallagher, J.; Ganster, E.; Garcia, A.; Garcia, M.; Garg, G.; Genton, E.; Gerhardt, L.; Ghadimi, A.; Girard-Carillo, C.; Glaser, C.; Glusenkamp, T.; Gonzalez, J. G.; Goswami, S.; Granados, A.; Grant, D.; Gray, S. J.; Griffin, S.; Griswold, S.; Groth, K. M.; Guevel, D.; Gunther, C.; Gutjahr, P.; Ha, C.; Haack, C.; Hallgren, A.; Halve, L.; Halzen, F.; Hamacher, L.; Hamdaoui, H.; Ha Minh, M.; Handt, M.; Hanson, K.; Hardin, J.; Harnisch, A. A.; Hatch, P.; Haungs, A.; Haussler, J.; Helbing, K.; Hellrung, J.; Hermannsgabner, J.; Heuermann, L.; Heyer, N.; Hickford, S.; Hidvegi, A.; Hill, C.; Hill, G. C.; Hmaid, R.; Hoffman, K. D.; Hori, S.; Hoshina, K.; Hostert, M.; Hou, W.; Huber, T.; Hultqvist, K.; Hunnefeld, M.; Hussain, R.; Hymon, K.; Ishihara, A.; Iwakiri, W.; Jacquart, M.; Jain, S.; Janik, O.; Jansson, M.; Jeong, M.; Jin, M.; Jones, B. J. P.; Kamp, N.; Kang, D.; Kang, W.; Kang, X.; Kappes, A.; Kappesser, D.; Kardum, L.; Karg, T.; Karl, M.; Karle, A.; Katil, A.; Katz, U.; Kauer, M.; Kelley, J. L.; Khanal, M.; Khatee Zathul, A.; Kheirandish, A.; Kiryluk, J.; Klein, S. R.; Kobayashi, Y.; Kochocki, A.; Koirala, R.; Kolanoski, H.; Kontrimas, T.; Kopke, L.; Kopper, C.; Koskinen, D. J.; Koundal, P.; Kowalski, M.; Kozynets, T.; Krieger, N.; Krishnamoorthi, J.; Krishnan, T.; Kruiswijk, K.; Krupczak, E.; Kumar, A.; Kun, E.; Kurahashi, N.; Lad, N.; Lagunas Gualda, C.; Lamoureux, M.; Larson, M. J.; Lauber, F.; Lazar, J. P.; Leonard Deholton, K.; Leszczynska, A.; Liao, J.; Lincetto, M.; Liu, Y. T.; Liubarska, M.; Love, C.; Lu, L.; Lucarelli, F.; Luszczak, W.; Lyu, Y.; Madsen, J.; Magnus, E.; Mahn, K. B. M.; Makino, Y.; Manao, E.; Mancina, S.; Mand, A.; Marie Sainte, W.; Maris, I. C.; Marka, S.; Marka, Z.; Marsee, M.; Martinez-Soler, I.; Maruyama, R.; Mayhew, F.; Mcnally, F.; Mead, J. V.; Meagher, K.; Mechbal, S.; Medina, A.; Meier, M.; Merckx, Y.; Merten, L.; Mitchell, J.; Montaruli, T.; Moore, R. W.; Morii, Y.; Morse, R.; Moulai, M.; Mukherjee, T.; Naab, R.; Nakos, M.; Naumann, U.; Necker, J.; Negi, A.; Neste, L.; Neumann, M.; Niederhausen, H.; Nisa, M. U.; Noda, K.; Noell, A.; Novikov, A.; Obertacke Pollmann, A.; O-Dell, V.; Olivas, A.; Orsoe, R.; Osborn, J.; O-Sullivan, E.; Palusova, V.; Pandya, H.; Park, N.; Parker, G. K.; Parrish, V.; Paudel, E. N.; Paul, L.; Perez De Los Heros, C.; Pernice, T.; Peterson, J.; Pizzuto, A.; Plum, M.; Ponten, A.; Popovych, Y.; Prado Rodriguez, M.; Pries, B.; Procter-Murphy, R.; Przybylski, G. T.; Pyras, L.; Raab, C.; Rack-Helleis, J.; Rad, N.; Ravn, M.; Rawlins, K.; Rechav, Z.; Rehman, A.; Resconi, E.; Reusch, S.; Rhode, W.; Riedel, B.; Rifaie, A.; Roberts, E. J.; Robertson, S.; Rodan, S.; Rongen, M.; Rosted, A.; Rott, C.; Ruhe, T.; Ruohan, L.; Ryckbosch, D.; Safa, I.; Saffer, J.; Salazar-Gallegos, D.; Sampathkumar, P.; Sandrock, A.; Santander, M.; Sarkar, S.; Sarkar, S.; Savelberg, J.; Savina, P.; Schaile, P.; Schaufel, M.; Schieler, H.; Schindler, S.; Schlickmann, L.; Schluter, B.; Schluter, F.; Schmeisser, N.; Schmidt, T.; Schneider, J.; Schroder, F. G.; Schumacher, L.; Schwirn, S.; Sclafani, S.; Seckel, D.; Seen, L.; Seikh, M.; Seo, M.; Seunarine, S.; Sevle Myhr, P.; Shah, R.; Shefali, S.; Shimizu, N.; Silva, M.; Skrzypek, B.; Smithers, B.; Snihur, R.; Soedingrekso, J.; Sogaard, A.; Soldin, D.; Soldin, P.; Sommani, G.; Spannfellner, C.; Spiczak, G. M.; Spiering, C.; Stachurska, J.; Stamatikos, M.; Stanev, T.; Stezelberger, T.; Sturwald, T.; Stuttard, T.; Sullivan, G. W.; Taboada, I.; Ter-Antonyan, S.; Terliuk, A.; Thiesmeyer, M.; Thompson, W. G.; Thwaites, J.; Tilav, S.; Tollefson, K.; Tonnis, C.; Toscano, S.; Tosi, D.; Trettin, A.; Unland Elorrieta, M. A.; Upadhyay, A. K.; Upshaw, K.; Vaidyanathan, A.; Valtonen-Mattila, N.; Vandenbroucke, J.; Van Eijndhoven, N.; Vannerom, D.; Van Santen, J.; Vara, J.; Varsi, F.; Veitch-Michaelis, J.; Venugopal, M.; Vereecken, M.; Vergara Carrasco, S.; Verpoest, S.; Veske, D.; Vijai, A.; Walck, C.; Wang, A.; Weaver, C.; Weigel, P.; Weindl, A.; Weldert, J.; Wen, A. Y.; Wendt, C.; Werthebach, J.; Weyrauch, M.; Whitehorn, N.; Wiebusch, C. H.; Williams, D. R.; Witthaus, L.; Wolf, M.; Wrede, G.; X. W., Xu; Yanez, J. P.; Yildizci, E.; Yoshida, S.; Young, R.; Yu, F.; Yu, S.; Yuan, T.; Zegarelli, A.; Zhang, S.; Zhang, Z.; Zhelnin, P.; Zilberman, P.; Zimmerman, M.

doi:10.1103/PhysRevLett.135.031001

We present a search for the diffuse extremely-high-energy neutrino flux using 12.6 years of IceCube data. The nonobservation of neutrinos with energies well above 10 PeV constrains the all-flavor neutrino flux at 1018 eV to a level of E2φνe+νμ+ντ≃10-8 GeV cm-2 s-1 sr-1, the most stringent limit to date. Using these data, we constrain the proton fraction of ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs) above ≃30 EeV to be ≲70% (at 90% CL) if the cosmological evolution of the sources is comparable to or stronger than the star formation rate. This is the first result to disfavor the "proton-only"hypothesis for UHECR in this evolution regime using neutrino data. This result complements direct air-shower measurements by being insensitive to uncertainties associated with hadronic interaction models. We also evaluate the tension between IceCube-s nonobservation and the ∼200 PeV KM3NeT neutrino candidate (KM3-230213A), finding it to be ∼2.9σ based on a joint-livetime fit between neutrino datasets.