[論文レビュー] Closing the gap: Near future MeV telescopes can discover asteroid-mass primordial black hole dark matter

Anupam Ray, Ranjan Laha+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、近い将来のMeVガンマ線望遠鏡（例：AMEGO）が、ホーキング放射を観測することで、小惑星質量の原始ブラックホール（PBH）が唯一のダークマター成分であるかどうかを検出または除外できることを示している。AMEGOの感度を用いることで、非回転PBHは95％信頼水準で最大7×10¹⁷ gの質量まで除外可能であり、これは現在の制約をほぼ1桁改善する。

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs), formed out of large overdensities in the early Universe, are a viable dark matter (DM) candidate over a broad range of masses. Ultra-light, asteroid-mass PBHs with masses around $10^{17}$ g are particularly interesting as current observations allow them to constitute the entire DM density. PBHs in this mass range emit $\sim$ MeV photons via Hawking radiation which can directly be detected by the gamma ray telescopes, such as the upcoming AMEGO. In this work we forecast how well an instrument with the sensitivity of AMEGO will be able to detect, or rule out, PBHs as a DM candidate, by searching for their evaporating signature when marginalizing over the Galactic and extra-Galactic gamma-ray backgrounds. We find that an instrument with the sensitivity of AMEGO could exclude non-rotating PBHs as the only DM component for masses up to $7 imes 10^{17}$ g at 95% confidence level (C.L.) for a monochromatic mass distribution, improving upon current bounds by nearly an order of magnitude. The forecasted constraints are more stringent for PBHs that have rotation, or which follow extended mass distributions.

研究の動機と目的

• 近い将来のMeVガンマ線望遠鏡（例：AMEGO）が、ダークマターの源としての原始ブラックホール（PBH）を検出または除外できる能力を評価すること。
• 小惑星質量範囲（約10¹⁷ g）のPBHが放出するMeVエネルギーの光子としてのホーキング放射の検出可能性を評価すること。
• 検出感度を予測する際に、銀河系および銀河外のガンマ線背景の不確実性を考慮すること。
• 将来の機器からの検出可能性および制約に及ぼすPBHの回転および質量関数の拡張の影響を特定すること。

提案手法

• 質量が約10¹⁷ gのPBHのホーキング放射スペクトルをモデル化し、主にMeVエネルギー帯で放射が支配的になると予測する。
• AMEGO望遠鏡の機器感度曲線を用いて、単色および広がりのあるPBH質量関数に対する検出能力をシミュレートする。
• 誤検出を回避するため、天体物理学的モデルを用いて銀河系および銀河外の拡散ガンマ線放射背景を統合（マージン化）する。
• 尤度解析を用いて統計的有意性を計算し、95％信頼水準における除外限界を決定する。
• 非回転および回転PBHの両方を分析し、回転効果が放射スペクトルおよび検出可能性に与える影響を評価する。
• 予測されたPBH信号をAMEGOの背景制限感度と比較することで、制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AMEGOのようなMeVガンマ線望遠鏡は、小惑星質量の原始ブラックホールを、ダークマターの主因として検出または除外できるか？
• RQ2 銀河系および銀河外のガンマ線背景の不確実性が、PBHホーキング放射の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 単色質量関数の場合、AMEGOが95％信頼水準で除外できる最大のPBH質量は何か？
• RQ4 PBHの回転は、そのホーキング放射シグナルの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 PBHの広がりのある質量関数は、将来のMeV望遠鏡の感度および制約にどのように影響するか？

主な発見

• AMEGOの感度を持つ機器では、非回転PBHを95％信頼水準で、質量が7×10¹⁷ gまで唯一のダークマター成分として除外できる。
• 予測された除外限界は、現在の観測的制約をほぼ1桁改善する。
• 回転を持つPBHは、スペクトルが変更され、検出可能性が向上するため、制約がより厳しくなる。
• 広がりのある質量関数では、弱いが依然として測定可能な制約が得られ、感度は分布の幅および形状に依存する。
• 本研究は、MeVガンマ線望遠鏡が、ダークマターの観点から小惑星質量PBHの領域を独自に探査できる可能性を確認した。