We report on results of an all-sky search for high-energy neutrino events interacting within the IceCube neutrino detector conducted between May 2010 and May 2012. The search follows up on the previous detection of two PeV neutrino events, with improved sensitivity and extended energy coverage down to about 30 TeV. Twenty-six additional events were observed, substantially more than expected from atmospheric backgrounds. Combined, both searches reject a purely atmospheric origin for the 28 events at the 4σ level. These 28 events, which include the highest energy neutrinos ever observed, have flavors, directions, and energies inconsistent with those expected from the atmospheric muon and neutrino backgrounds. These properties are, however, consistent with generic predictions for an additional component of extraterrestrial origin.

A search for high-energy neutrinos interacting within the IceCube detector between 2010 and 2012 provided the first evidence for a high-energy neutrino flux of extraterrestrial origin. Results from an analysis using the same methods with a third year (2012-2013) of data from the complete IceCube detector are consistent with the previously reported astrophysical flux in the 100 TeV-PeV range at the level of 10(-8) GeV cm-2 s-1 sr-1 per flavor and reject a purely atmospheric explanation for the combined three-year data at 5.7σ. The data are consistent with expectations for equal fluxes of all three neutrino flavors and with isotropic arrival directions, suggesting either numerous or spatially extended sources. The three-year data set, with a live time of 988 days, contains a total of 37 neutrino candidate events with deposited energies ranging from 30 to 2000 TeV. The 2000-TeV event is the highest-energy neutrino interaction ever observed.

A high-energy neutrino event detected by IceCube on 22 September 2017 was coincident in direction and time with a gamma-ray flare from the blazar TXS 0506+056. Prompted by this association, we investigated 9.5 years of IceCube neutrino observations to search for excess emission at the position of the blazar. We found an excess of high-energy neutrino events, with respect to atmospheric backgrounds, at that position between September 2014 and March 2015. Allowing for time-variable flux, this constitutes 3.5σ evidence for neutrino emission from the direction of TXS 0506+056, independent of and prior to the 2017 flaring episode. This suggests that blazars are identifiable sources of the high-energy astrophysical neutrino flux.

We report on the observation of two neutrino-induced events which have an estimated deposited energy in the IceCube detector of 1.04±0.16 and 1.14±0.17 PeV, respectively, the highest neutrino energies observed so far. These events are consistent with fully contained particle showers induced by neutral-current ν(e,μ,τ) (ν(e,μ,τ)) or charged-current ν(e) (ν(e)) interactions within the IceCube detector. The events were discovered in a search for ultrahigh energy neutrinos using data corresponding to 615.9 days effective live time. The expected number of atmospheric background is 0.082±0.004(stat)(-0.057)(+0.041)(syst). The probability of observing two or more candidate events under the atmospheric background-only hypothesis is 2.9×10(-3) (2.8σ) taking into account the uncertainty on the expected number of background events. These two events could be a first indication of an astrophysical neutrino flux; the moderate significance, however, does not permit a definitive conclusion at this time.

The IceCube Neutrino Observatory is a cubic-kilometer-scale high-energy neutrino detector built into the ice at the South Pole. Construction of IceCube, the largest neutrino detector built to date, was completed in 2011 and enabled the discovery of high-energy astrophysical neutrinos. We describe here the design, production, and calibration of the IceCube digital optical module (DOM), the cable systems, computing hardware, and our methodology for drilling and deployment. We also describe the online triggering and data filtering systems that select candidate neutrino and cosmic ray events for analysis. Due to a rigorous pre-deployment protocol, 98.4% of the DOMs in the deep ice are operating and collecting data. IceCube routinely achieves a detector uptime of 99% by emphasizing software stability and monitoring. Detector operations have been stable since construction was completed, and the detector is expected to operate at least until the end of the next decade.

We have remotely mapped optical scattering and absorption in glacial ice at the South Pole for wavelengths between 313 and 560 nm and depths between 1100 and 2350 m. We used pulsed and continuous light sources embedded with the AMANDA neutrino telescope, an array of more than six hundred photomultiplier tubes buried deep in the ice. At depths greater than 1300 m, both the scattering coefficient and absorptivity follow vertical variations in concentration of dust impurities, which are seen in ice cores from other Antarctic sites and which track climatological changes. The scattering coefficient varies by a factor of seven, and absorptivity (for wavelengths less than ∼450 nm) varies by a factor of three in the depth range between 1300 and 2300 m, where four dust peaks due to stadials in the late Pleistocene have been identified. In our absorption data, we also identify a broad peak due to the Last Glacial Maximum around 1300 m. In the scattering data, this peak is partially masked by scattering on residual air bubbles, whose contribution dominates the scattering coefficient in shallower ice but vanishes at ∼1350 m where all bubbles have converted to nonscattering air hydrates. The wavelength dependence of scattering by dust is described by a power law with exponent −0.90 ± 0.03, independent of depth. The wavelength dependence of absorptivity in the studied wavelength range is described by the sum of two components: a power law due to absorption by dust, with exponent −1.08 ± 0.01 and a normalization proportional to dust concentration that varies with depth; and a rising exponential due to intrinsic ice absorption which dominates at wavelengths greater than ∼500 nm.

ABSTRACT The IceCube Collaboration has previously discovered a high-energy astrophysical neutrino flux using neutrino events with interaction vertices contained within the instrumented volume of the IceCube detector. We present a complementary measurement using charged current muon neutrino events where the interaction vertex can be outside this volume. As a consequence of the large muon range the effective area is significantly larger but the field of view is restricted to the Northern Hemisphere. IceCube data from 2009 through 2015 have been analyzed using a likelihood approach based on the reconstructed muon energy and zenith angle. At the highest neutrino energies between  and  a significant astrophysical contribution is observed, excluding a purely atmospheric origin of these events at  significance. The data are well described by an isotropic, unbroken power-law flux with a normalization at  neutrino energy of  and a hard spectral index of  . The observed spectrum is harder in comparison to previous IceCube analyses with lower energy thresholds which may indicate a break in the astrophysical neutrino spectrum of unknown origin. The highest-energy event observed has a reconstructed muon energy of  which implies a probability of less than  for this event to be of atmospheric origin. Analyzing the arrival directions of all events with reconstructed muon energies above  no correlation with known γ -ray sources was found. Using the high statistics of atmospheric neutrinos we report the current best constraints on a prompt atmospheric muon neutrino flux originating from charmed meson decays which is below 1.06 in units of the flux normalization of the model in Enberg et al.

Evidence for an extraterrestrial flux of high-energy neutrinos has now been found in multiple searches with the IceCube detector. The first solid evidence was provided by a search for neutrino events with deposited energies TeV and interaction vertices inside the instrumented volume. Recent analyses suggest that the extraterrestrial flux extends to lower energies and is also visible with throughgoing, νμ-induced tracks from the Northern Hemisphere. Here, we combine the results from six different IceCube searches for astrophysical neutrinos in a maximum-likelihood analysis. The combined event sample features high-statistics samples of shower-like and track-like events. The data are fit in up to three observables: energy, zenith angle, and event topology. Assuming the astrophysical neutrino flux to be isotropic and to consist of equal flavors at Earth, the all-flavor spectrum with neutrino energies between 25 TeV and 2.8 PeV is well described by an unbroken power law with best-fit spectral index −2.50 ± 0.09 and a flux at 100 TeV of . Under the same assumptions, an unbroken power law with index −2 is disfavored with a significance of 3.8σ (p = 0.0066%) with respect to the best fit. This significance is reduced to 2.1σ (p = 1.7%) if instead we compare the best fit to a spectrum with index −2 that has an exponential cut-off at high energies. Allowing the electron-neutrino flux to deviate from the other two flavors, we find a νe fraction of 0.18 ± 0.11 at Earth. The sole production of electron neutrinos, which would be characteristic of neutron-decay-dominated sources, is rejected with a significance of 3.6σ (p = 0.014%).

IceCube is a km-scale neutrino observatory under construction at the South Pole with sensors both in the deep ice (InIce) and on the surface (IceTop). The sensors, called Digital Optical Modules (DOMs), detect, digitize and timestamp the signals from optical Cherenkov-radiation photons. The DOM Main Board (MB) data acquisition subsystem is connected to the central DAQ in the IceCube Laboratory (ICL) by a single twisted copper wire-pair and transmits packetized data on demand. Time calibration is maintained throughout the array by regular transmission to the DOMs of precisely timed analog signals, synchronized to a central GPS-disciplined clock. The design goals and consequent features, functional capabilities, and initial performance of the DOM MB, and the operation of a combined array of DOMs as a system, are described here. Experience with the first InIce strings and the IceTop stations indicates that the system design and performance goals have been achieved.

Individual astrophysical sources previously detected in neutrinos are limited to the Sun and the supernova 1987A, whereas the origins of the diffuse flux of high-energy cosmic neutrinos remain unidentified. On 22 September 2017 we detected a high-energy neutrino, IceCube-170922A, with an energy of approximately 290 TeV. Its arrival direction was consistent with the location of a known gamma-ray blazar TXS 0506+056, observed to be in a flaring state. An extensive multi-wavelength campaign followed, ranging from radio frequencies to gamma-rays. These observations characterize the variability and energetics of the blazar and include the first detection of TXS 0506+056 in very-high-energy gamma-rays. This observation of a neutrino in spatial coincidence with a gamma-ray emitting blazar during an active phase suggests that blazars may be a source of high-energy neutrinos.