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. 2025 Jul 18;135(3):031001.
doi: 10.1103/PhysRevLett.135.031001.

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

R Abbasi  1 M Ackermann  2 J Adams  3 S K Agarwalla  4 J A Aguilar  5 M Ahlers  6 J M Alameddine  7 N M Amin  8 K Andeen  9 C Argüelles  10 Y Ashida  11 S Athanasiadou  2 S N Axani  8 R Babu  12 X Bai  13 A Balagopal V  4 M Baricevic  4 S W Barwick  14 S Bash  15 V Basu  4 R Bay  16 J J Beatty  17   18 J Becker Tjus  19 J Beise  20 C Bellenghi  15 S BenZvi  21 D Berley  22 E Bernardini  23 D Z Besson  24 E Blaufuss  22 L Bloom  25 S Blot  2 F Bontempo  26 J Y Book Motzkin  10 C Boscolo Meneguolo  23 S Böser  27 O Botner  20 J Böttcher  28 J Braun  4 B Brinson  29 Z Brisson-Tsavoussis  30 J Brostean-Kaiser  2 L Brusa  28 R T Burley  31 D Butterfield  4 M A Campana  32 I Caracas  27 K Carloni  10 J Carpio  33   34 S Chattopadhyay  4 N Chau  5 Z Chen  35 D Chirkin  4 S Choi  36   37 B A Clark  22 A Coleman  20 P Coleman  28 G H Collin  38 A Connolly  17   18 J M Conrad  38 R Corley  11 D F Cowen  39   40 C De Clercq  41 J J DeLaunay  25 D Delgado  10 S Deng  28 A Desai  4 P Desiati  4 K D 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11 T Yuan  4 A Zegarelli  19 S Zhang  12 Z Zhang  35 P Zhelnin  10 P Zilberman  4 M Zimmerman  4 IceCube Collaboration
Affiliations

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

R Abbasi et al. Phys Rev Lett. .

Abstract

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 10^{18} eV to a level of E^{2}Φ_{ν_{e}+ν_{μ}+ν_{τ}}≃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.

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