[論文レビュー] Experimental search of bursts of gamma rays from primordial black holes using different evaporation models

É. V. Bugaev, V. B. Petkov+14 more|ArXiv.org|Jun 17, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、バンクサンニュートリノ観測所に設置されたアンドイチィおよびカーペット-2アレイを用いて、初期ブラックホール（PBH）の蒸発に伴うガンマ線バーストの実験的探索を実施した。3つの異なる蒸発モデル（DK02、H97、MW90）を用いてデータを解析したが、背景を超える顕著な過剰は観測されず、local PBH蒸発率の上限が改善された。99%信頼水準において、それぞれ10⁹ pc⁻³ yr⁻¹（DK02）、5×10⁹ pc⁻³ yr⁻¹（H97）、6.8×10⁹ pc⁻³ yr⁻¹（MW90）である。

ABSTRACT

Experimental data of arrays "Andyrchy" and "Carpet-2" of Baksan Neutrino Observatory (Institute for Nuclear Research), obtained in the regime of a detection of the single cosmic-ray component, are used for a search of the bursts of cosmic gamma rays from evaporating primordial black holes. Different theoretical models of the evaporation process are used for the analysis. Distributions of the counting rate fluctuations on both arrays agree with the expectations from the cosmic ray background. The new constraints on the concentration of evaporating primordial black holes in the local region of Galaxy are obtained. The comparison of the results of different experiments is given.

研究の動機と目的

• 広大な大気シャワー検出器を用いて、蒸発する初期ブラックホール（PBH）に起因する一時的ガンマ線バーストを探索すること。
• 非標準的なスペクトルを含む、PBH蒸発の異なる理論的モデルに対する検出法の感度を検証すること。
• モデル依存の光子放出スペクトルを考慮に入れた、銀河内における蒸発中のPBHの局所的濃度に対する新たな上限を導出すること。
• 複数の実験間で結果を比較し、理論的仮定の変化に伴う検出法の頑健性を検証すること。

提案手法

• バンクサンニュートリノ観測所に設置されたアンドイチィおよびカーペット-2アレイを、単一の宇宙線成分モードで運用し、蒸発するPBHに起因するガンマ線バーストを検出すること。
• 背景がポisson分布に従うことを前提に、カウントレートの変動を時間系列解析し、$ F_i = (k_i - \bar{k}) / \sqrt{\bar{k}} $ で定義されるパラメータを用いて背景からの逸脱を定量した。
• 予想される光子フラックスと検出可能閾値を計算するために、3つの理論的蒸発モデル（DK02、H97、MW90）を用いた。
• 各アレイが調査した有効体積は、立体角および半径方向の積分を含むポアソン確率 $ F(n, \bar{n}(\theta, r)) $ を用いて計算した。
• 6.27年（アンドイチィ）および2.34年（RP）のデータを用い、上限のPBH密度は $ \rho_{\text{lim}} = 4.6 / (V_A T_A + V_{RP} T_{RP}) $ の式から導出した。
• 角度依存性および光子出力率を考慮した、PBHの最大検出距離は $ R_{\text{max}} = \sqrt{ N_\gamma(\theta, t_l=1\text{ s}) S(\theta) / (4\pi n) } $ を用いて推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる理論的蒸発モデルを想定した場合、広大な大気シャワー検出器を用いて蒸発する初期ブラックホールに起因する一時的ガンマ線バーストを検出できるか？
• RQ2 特にホーキングスペクトルからの逸脱を含む、PBHの光子スペクトルの変化に対して検出法の感度はどの程度変化するか？
• RQ3 データに顕著な過剰が認められない状況下で、銀河内における蒸発中のPBHの局所的数密度に対する上限は何か？
• RQ4 アンドイチィおよびカーペット-2アレイの結果は、異なる蒸発モデルにおいて、感度および一貫性の観点でどのように比較できるか？

主な発見

• アンドイチィおよびカーペット-2アレイの両方で、顕著なガンマ線バーストの過剰は観測されなかった。最大の逸脱は2002年4月17日におけるアンドイチィの7.9σイベントであったが、RPアレイで同様の天区画および時間窓で確認されなかった。
• アンドイチィの7.9σイベントは、PBH起源とは一致せず、同じ天区画と時間窓でRPアレイで3.2σ以上の過剰が観測されなかったことから、その妥当性が否定された。
• アンドイチィの有効体積は、6σ検出閾値を基準に、DK02で1.2×10⁻¹⁰ pc³、H97で5.6×10⁻¹⁰ pc³、MW90で8.1×10⁻¹¹ pc³と計算された。
• カーペット-2アレイの有効体積は、7σ閾値を用い、DK02で7.6×10⁻¹¹ pc³、H97で4.1×10⁻¹⁰ pc³、MW90で7.1×10⁻¹¹ pc³であった。
• 99%信頼水準において、蒸発中のPBHの数密度上限は、DK02で10⁹ pc⁻³ yr⁻¹、H97で5×10⁹ pc⁻³ yr⁻¹、MW90で6.8×10⁹ pc⁻³ yr⁻¹と決定された。
• DK02およびH97モデルの上限は、以前の研究に比べて顕著な改善であり、MW90の上限は効果的光子エネルギーが異なるため、やや緩いが、相補的な意義を持つ。