Prompt Searches for Very-High-Energy γ-Ray Counterparts to IceCube Astrophysical Neutrino Alerts
J. Abhir, A. Biland, K. Brand, T. Bretz, D. Dorner, L. Eisenberger, D. Elsaesser, P. Günther, S. Hasan, D. Hildebrand, K. Mannheim, M. Linhoff, F. Pfeifle, W. Rhode, B. Schleicher, V. Sliusar, M. Vorbrugg, R. Walter, F. Aharonian, F. Ait Benkhali, J. Aschersleben, H. Ashkar, M. Backes, V. Barbosa Martins, R. Batzofin, Y. Becherini, D. Berge, M. Böttcher, C. Boisson, J. Bolmont, J. Borowska, R. Brose, A. Brown, F. Brun, B. Bruno, S. Casanova, J. Celic, M. Cerruti, A. Chen, M. Chernyakova, J. Chibueze, O. Chibueze, B. Cornejo, G. Cotter, G. Cozzolongo, J. Damascene Mbarubucyeye, J. de Assis Scarpin, A. Delgado Giles, A. Djannati-Ataï, J. Djuvsland, A. Dmytriiev, K. Egberts, K. Egg, S. Einecke, J. -P. Ernenwein, C. Escañ, K. Feijen, M. Filipovic, G. Fontaine, S. Funk, S. Gabici, J. F. Glicenstein, P. Goswami, G. Grolleron, B. Heß, J. A. Hinton, M. Holler, M. Jamrozy, F. Jankowsky, I. Jung-Richardt, E. Kasai, K. Katarzyń, H. Katjaita, D. Kerszberg, R. Khatoon, B. Khélifi, W. Kluź, Nu. Komin, R. Konno, K. Kosack, D. Kostunin, G. Kukec Mezek, R. G. Lang, A. Lemière, M. Lemoine-Goumard, J. -P. Lenain, A. Luashvili, J. Mackey, V. Marandon, G. Martí-Devesa, R. Marx, M. Mayer, A. Mehta, A. Mitchell, R. Moderski, M. O. Moghadam, L. Mohrmann, E. Moulin, M. de Naurois, J. Niemiec, E. de Ona Wilhelmi, S. Panny, M. Panter, R. D. Parsons, U. Pensec, P. Pichard, G. Pühlhofer, M. Punch, A. Quirrenbach, M. Regeard, O. Reimer, H. Ren, F. Rieger, G. Rowell, B. Rudak, K. Sabri, V. Sahakian, H. Salzmann, M. Sasaki, J. Schäfer, F. Schüssler, H. M. Schutte, M. Senniappan, J. N. S. Shapopi, A. Sharma, H. Sol, S. Spencer, Ł., R. Steenkamp, S. Steinmassl, C. Steppa, T. Takahashi, T. Tanaka, A. M. Taylor, M. Tsirou, C. van Eldik, M. Vecchi, C. Venter, J. Vink, T. Wach, S. J. Wagner, A. Wierzcholska, M. Zacharias, A. A. Zdziarski, A. Zech, N. Żywucka, S. Abe, J. Abhir, A. Abhishek, A. Aguasca-Cabot, I. Agudo, T. Aniello, S. Ansoldi, L. A. Antonelli, A. Arbet Engels, C. Arcaro, M. Artero, K. Asano, A. Babić, C. Bakshi, U. Barres de Almeida, J. A. Barrio, L. Barrios-Jiménez, I. Batković, J. Baxter, J. Becerra González, W. Bednarek, E. Bernardini, J. Bernete, A. Berti, J. Besenrieder, C. Bigongiari, A. Biland, O. Blanch, H. Bökenkamp, G. Bonnoli, Ž, E. Bronzini, I. Burelli, A. Campoy-Ordaz, A. Carosi, R. Carosi, M. Carretero-Castrillo, A. J. Castro-Tirado, D. Cerasole, G. Ceribella, Y. Chai, A. Chilingarian, A. Cifuentes, J. L. Contreras, J. Cortina, S. Covino, G. D'Amico, P. Da Vela, F. Dazzi, A. De Angelis, B. De Lotto, M. Delfino, C. Delgado Mendez, F. Di Pierro, R. Di Tria, L. Di Venere, A. Dinesh, D. Dominis Prester, A. Donini, D. Dorner, M. Doro, L. Eisenberger, D. Elsaesser, J. Escudero, L. Fariña, A. Fattorini, L. Foffano, L. Font, S. Fröse, Y. Fukazawa, S. Gasparyan, M. Gaug, J. G. Giesbrecht Paiva, N. Giglietto, F. Giordano, P. Gliwny, N. Godinović, T. Gradetzke, R. Grau, D. Green, J. G. Green, P. Günther, D. Hadasch, A. Hahn, T. Hassan, L. Heckmann, D. Hrupec, R. Imazawa, D. Israyelyan, I. Jiménez Martínez, J. Jiménez Quiles, J. Jormanainen, S. Kankkunen, T. Kayanoki, D. Kerszberg, J. Konrad, P. M. Kouch, H. Kubo, J. Kushida, M. Láinez, A. Lamastra, E. Lindfors, S. Lombardi, F. Longo, R. López-Coto, M. López-Moya, A. López-Oramas, S. Loporchio, L. Lulić, E. Lyard, P. Majumdar, M. Makariev, M. Mallamaci, G. Maneva, M. Manganaro, S. Mangano, S. Marchesi, M. Mariotti, M. Martínez, P. Maruš, A. Mas-Aguilar, D. Mazin, S. Menchiari, J. Méndez Gallego, D. Miceli, J. M. Miranda, R. Mirzoyan, M. Molero González, E. Molina, H. A. Mondal, A. Moralejo, T. Nakamori, C. Nanci, V. Neustroev, M. Nievas Rosillo, C. Nigro, L. Nikolić, K. Nilsson, K. Nishijima, K. Noda, S. Nozaki, A. Okumura, J. Otero-Santos, S. Paiano, D. Paneque, J. M. Paredes, M. Peresano, M. Persic, M. Pihet, F. Podobnik, P. G. Prada Moroni, E. Prandini, M. Ribó, J. Rico, T. Saito, S. Sakurai, K. Satalecka, F. G. Saturni, K. Schmitz, F. Schmuckermaier, J. L. Schubert, A. Sciaccaluga, G. Silvestri, J. Sitarek, V. Sliusar, D. Sobczynska, A. Stamerra, J. Striš, D. Strom, M. Strzys, Y. Suda, H. Tajima, M. Takahashi, R. Takeishi, P. Temnikov, K. Terauchi, T. Terzić, A. Tutone, S. Ubach, J. van Scherpenberg, M. Vazquez Acosta, S. Ventura, G. Verna, I. Viale, A. Vigliano, C. F. Vigorito, E. Visentin, V. Vitale, I. Vovk, R. Walter, F. Wersig, M. Will, T. Yamamoto, P. K. H. Yeung, S. Yoo, A. Acharyya, A. Archer, P. Bangale, J. T. Bartkoske, W. Benbow, J. H. Buckley, Y. Chen, J. L. Christiansen, A. J. Chromey, M. Errando, S. Feldman, Q. Feng, S. Filbert, L. Fortson, A. Furniss, W. Hanlon, O. Hervet, C. E. Hinrichs, J. Holder, Z. Hughes, T. B. Humensky, W. Jin, M. N. Johnson, P. Kaaret, M. Kertzman, M. Kherlakian, D. Kieda, T. K. Kleiner, N. Korzoun, M. J. Lang, M. Lundy, G. Maier, M. J. Millard, J. Millis, P. Moriarty, R. Mukherjee, W. Ning, R. A. Ong, A. Pandey, M. Pohl, J. Quinn, P. L. Rabinowitz, K. Ragan, P. T. Reynolds, D. Ribeiro, E. Roache, I. Sadeh, A. C. Sadun, L. Saha, M. Santander, G. H. Sembroski, R. Shang, D. Tak, A. K. Talluri, J. V. Tucci, J. Valverde, V. V. Vassiliev, D. A. Williams, S. L. Wong, S. Buson, R. Abbasi, M. Ackermann, J. Adams, S. K. Agarwalla, J. A. Aguilar, M. Ahlers, J. M. Alameddine, S. Ali, N. M. Amin, K. Andeen, C. Argü, Y. Ashida, S. Athanasiadou, S. N. Axani, R. Babu, X. Bai, J. Baines-Holmes, A. Balagopal V., S. W. Barwick, S. Bash, V. Basu, R. Bay, J. J. Beatty, J. Becker Tjus, P. Behrens, J. Beise, C. Bellenghi, B. Benkel, S. BenZvi, D. Berley, E. Bernardini, D. Z. Besson, E. Blaufuss, L. Bloom, S. Blot, I. Bodo, F. Bontempo, J. Y. Book Motzkin, C. Boscolo Meneguolo, S. Bö, O. Botner, J. Bö, J. Braun, B. Brinson, Z. Brisson-Tsavoussis, R. T. Burley, D. Butterfield, M. A. Campana, K. Carloni, J. Carpio, S. Chattopadhyay, N. Chau, Z. Chen, D. Chirkin, S. Choi, B. A. Clark, A. Coleman, P. Coleman, G. H. Collin, D. A. Coloma Borja, A. Connolly, J. M. Conrad, D. F. Cowen, C. De Clercq, J. J. DeLaunay, D. Delgado, T. Delmeulle, S. Deng, P. Desiati, K. D. de Vries, G. de Wasseige, T. DeYoung, J. C. Dí, S. DiKerby, T. Ding, M. Dittmer, A. Domi, L. Draper, L. Dueser, D. Durnford, K. Dutta, M. A. DuVernois, T. Ehrhardt, L. Eidenschink, A. Eimer, P. Eller, E. Ellinger, D. Elsä, R. Engel, H. Erpenbeck, W. Esmail, S. Eulig, J. Evans, P. A. Evenson, K. L. Fan, K. Fang, K. Farrag, A. R. Fazely, A. Fedynitch, N. Feigl, C. Finley, L. Fischer, D. Fox, A. Franckowiak, S. Fukami, P. Fü, J. Gallagher, E. Ganster, A. Garcia, M. Garcia, G. Garg, E. Genton, L. Gerhardt, A. Ghadimi, C. Glaser, T. Glü, J. G. Gonzalez, S. Goswami, A. Granados, D. Grant, S. J. Gray, S. Griffin, S. Griswold, K. M. Groth, D. Guevel, C. Gü, P. Gutjahr, C. Ha, C. Haack, A. Hallgren, L. Halve, F. Halzen, L. Hamacher, M. Ha Minh, M. Handt, K. Hanson, J. Hardin, A. A. Harnisch, P. Hatch, A. Haungs, J. Hä, K. Helbing, J. Hellrung, B. Henke, L. Hennig, F. Henningsen, L. Heuermann, R. Hewett, N. Heyer, S. Hickford, A. Hidvegi, C. Hill, G. C. Hill, R. Hmaid, K. D. Hoffman, D. Hooper, S. Hori, K. Hoshina, M. Hostert, W. Hou, M. Hrywniak, T. Huber, K. Hultqvist, K. Hymon, A. Ishihara, W. Iwakiri, M. Jacquart, S. Jain, O. Janik, M. Jansson, M. Jeong, M. Jin, N. Kamp, D. Kang, W. Kang, X. Kang, A. Kappes, L. Kardum, T. Karg, M. Karl, A. Karle, A. Katil, M. Kauer, J. L. Kelley, M. Khanal, A. Khatee Zathul, A. Kheirandish, H. Kimku, J. Kiryluk, C. Klein, S. R. Klein, Y. Kobayashi, A. Kochocki, R. Koirala, H. Kolanoski, T. Kontrimas, L. Kö, C. Kopper, D. J. Koskinen, P. Koundal, M. Kowalski, T. Kozynets, A. Kravka, N. Krieger, J. Krishnamoorthi, T. Krishnan, K. Kruiswijk, E. Krupczak, A. Kumar, E. Kun, N. Kurahashi, N. Lad, C. Lagunas Gualda, L. Lallement Arnaud, M. Lamoureux, M. J. Larson, F. Lauber, J. P. Lazar, K. Leonard DeHolton, A. Leszczyń, J. Liao, C. Lin, Y. T. Liu, M. Liubarska, C. Love, L. Lu, F. Lucarelli, W. Luszczak, Y. Lyu, M. Macdonald, J. Madsen, E. Magnus, Y. Makino, E. Manao, S. Mancina, A. Mand, I. C. Mariş, S. Marka, Z. Marka, L. Marten, I. Martinez-Soler, R. Maruyama, J. Mauro, F. Mayhew, F. McNally, J. V. Mead, K. Meagher, S. Mechbal, A. Medina, M. Meier, Y. Merckx, L. Merten, J. Mitchell, L. Molchany, S. Mondal, T. Montaruli, R. W. Moore, Y. Morii, A. Mosbrugger, M. Moulai, D. Mousadi, E. Moyaux, T. Mukherjee, R. Naab, M. Nakos, U. Naumann, J. Necker, L. Neste, M. Neumann, H. Niederhausen, M. U. Nisa, K. Noda, A. Noell, A. Novikov, A. Obertacke, V. O'Dell, A. Olivas, R. Orsoe, J. Osborn, E. O'Sullivan, V. Palusova, H. Pandya, A. Parenti, N. Park, V. Parrish, E. N. Paudel, L. Paul, C. Pé, T. Pernice, T. C. Petersen, J. Peterson, M. Plum, A. Ponté, V. Poojyam, Y. Popovych, M. Prado Rodriguez, B. Pries, R. Procter-Murphy, G. T. Przybylski, L. Pyras, C. Raab, J. Rack-Helleis, N. Rad, M. Ravn, K. Rawlins, Z. Rechav, A. Rehman, I. Reistroffer, E. Resconi, S. Reusch, C. D. Rho, W. Rhode, L. Ricca, B. Riedel, A. Rifaie, E. J. Roberts, M. Rongen, A. Rosted, C. Rott, T. Ruhe, L. Ruohan, D. Ryckbosch, J. Saffer, D. Salazar-Gallegos, P. Sampathkumar, A. Sandrock, G. Sanger-Johnson, M. Santander, S. Sarkar, J. Savelberg, M. Scarnera, P. Schaile, M. Schaufel, H. Schieler, S. Schindler, L. Schlickmann, B. Schlü, F. Schlü, N. Schmeisser, T. Schmidt, F. G. Schrö, L. Schumacher, S. Schwirn, S. Sclafani, D. Seckel, L. Seen, M. Seikh, S. Seunarine, P. A. Sevle Myhr, R. Shah, S. Shefali, N. Shimizu, B. Skrzypek, R. Snihur, J. Soedingrekso, A. Sø, D. Soldin, P. Soldin, G. Sommani, C. Spannfellner, G. M. Spiczak, C. Spiering, J. Stachurska, M. Stamatikos, T. Stanev, T. Stezelberger, T. Stü, T. Stuttard, G. W. Sullivan, I. Taboada, S. Ter-Antonyan, A. Terliuk, A. Thakuri, M. Thiesmeyer, W. G. Thompson, J. Thwaites, S. Tilav, K. Tollefson, S. Toscano, D. Tosi, A. Trettin, A. K. Upadhyay, K. Upshaw, A. Vaidyanathan, N. Valtonen-Mattila, J. Valverde, J. Vandenbroucke, T. Van Eeden, N. van Eijndhoven, L. Van Rootselaar, J. van Santen, J. Vara, F. Varsi, M. Venugopal, M. Vereecken, S. Vergara Carrasco, S. Verpoest, D. Veske, A. Vijai, J. Villarreal, C. Walck, A. Wang, E. H. S. Warrick, C. Weaver, P. Weigel, A. Weindl, J. Weldert, A. Y. Wen, C. Wendt, J. Werthebach, M. Weyrauch, N. Whitehorn, C. H. Wiebusch, D. R. Williams, L. Witthaus, M. Wolf, G. Wrede, X. W. Xu, J. P. Yanez, Y. Yao, E. Yildizci, S. Yoshida, R. Young, F. Yu, S. Yu, T. Yuan, A. Zander Jurowitzki, A. Zegarelli, S. Zhang, Z. Zhang, P. Zhelnin, P. Zilberman, F. D'Ammando
TL;DR
This study assembles a comprehensive retrospective of very-high-energy γ-ray follow-ups to IceCube neutrino alerts using MAGIC, FACT, H.E.S.S., and VERITAS from 2017 to 2021. It contrasts GFU-cluster and single high-energy neutrino alert streams, detailing alert thresholds, localization, and real-time dissemination, and then presents a uniform analysis of IACT observations, individually and in combination, to derive upper limits on VHE γ-ray emission. Across 62 single-neutrino alerts and 6 GFU-cluster alerts followed by IACTs, no convincing VHE counterpart to a neutrino event was found, though in one case (1ES 1312-423) a significant VHE signal was detected in association with a neutrino cluster. Complementary Fermi-LAT and Swift data provide MWL context and help constrain possible emission scenarios, while the paper emphasizes the importance of cross-instrument, joint analyses to improve sensitivity. The work serves as a valuable legacy data set for future multi-messenger studies and outlines prospects with next-generation facilities (CTA, KM3NeT, GVD) and the next IceCube generation, which will enhance sky coverage and sensitivity to transient neutrino sources briefly linking neutrinos with γ-ray production in hadronic accelerators.
Abstract
The search for sources of high-energy astrophysical neutrinos can be significantly advanced through a multi-messenger approach, which seeks to detect the gamma rays that accompany neutrinos as they are produced at their sources. Multi-messenger observations have so far provided the first evidence for a neutrino source, illustrated by the joint detection of the flaring blazar TXS 0506+056 in highenergy (HE, E > 1 GeV) and very-high-energy (VHE, E > 100 GeV) gamma rays in coincidence with the high-energy neutrino IceCube-170922A, identified by IceCube. Imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs), namely FACT, H.E.S.S., MAGIC, and VERITAS, continue to conduct extensive neutrino target-of-opportunity follow-up programs. These programs have two components: followup observations of single astrophysical neutrino candidate events (such as IceCube-170922A), and observation of known gamma-ray sources after the identification of a cluster of neutrino events by IceCube. Here we present a comprehensive analysis of follow-up observations of high-energy neutrino events observed by the four IACTs between September 2017 (after the IceCube-170922A event) and January 2021. Our study found no associations between gamma-ray sources and the observed neutrino events. We provide a detailed overview of each neutrino event and its potential counterparts. Furthermore, a joint analysis of all IACT data is included, yielding combined upper limits on the VHE gamma-ray flux.
