[論文レビュー] Limits on the flux of nuclearites and other heavy compact objects from the "Pi of the Sky" project

L. W. Piotrowski, K. Małek+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 30被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、Pi of the Skyのロボット望遠鏡ネットワークが取得した可視光データを用いて、核子体およびその他の重いコンパクト物体（100 g–100 kg）に対する、これまでで最も厳しいフラックス限界を提示した。高エネルギーで大気を通過する高品質な物体が引き起こす発光トレースを、空の画像から分析することで、等方的フラックス限界は $5.4\cdot10^{-20}$ から $2.2\cdot10^{-21}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$ の間、方向的フラックス限界は $1.5\cdot10^{-18}$ から $2.1\cdot10^{-19}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ の間となり、ダークマターおよび奇妙なコンパクト物体のモデルを制約した。

ABSTRACT

Many theories predict the existence of very heavy compact objects, that in terms of sizes would belong to the realms of nuclear or atomic physics, but in terms of masses could extend to the macroscopic world, reaching kilograms, tonnes or more. If they exist, it is likely that they reach our planet with high speeds and cross the atmosphere. Due to their high mass to size ratio and huge energy, in many cases, they would leave behind a trail in the form of sound and seismic waves, etches, or light in transparent media. Here we show results of a search for such objects in visual photographs of the sky taken by the "Pi of the Sky" experiment, illustrated with the most stringent limits on the isotropic flux of incoming so-called nuclearites, spanning between $5.4\\cdot10^{-20}$ and $2.2\\cdot10^{-21}\\ \\mathrm{cm}^{-2} \\mathrm{s}^{-1} \\mathrm{sr}^{-1}$ for masses between 100 g and 100 kg. In addition we establish a directional flux limit under an assumption of static "sea" of nuclearites in the Galaxy, which spans between $1.5\\cdot10^{-18}$ and $2.1\\cdot10^{-19}\\ \\mathrm{cm}^{-2} \\mathrm{s}^{-1}$ in the same mass range. The general nature of the limits presented should allow one to constrain many specific models predicting the existence of heavy compact objects and both particle physics and astrophysical processes leading to their creation, and their sources.

研究の動機と目的

• 光学的天球サーベイを用いて、核子体、Qボウル、磁気モノポールなどの仮説的な重いコンパクト物体のフラックスを制約すること。
• これらの物体が存在する場合、高エネルギーで大気中を通過することでエネルギーを放出し、目に見える発光トレースを引き起こすという仮説を検証すること。
• 100 g–100 kgの質量範囲における、これらの物体の等方的および方向的フラックスの堅固な上限を確立すること。
• 将来の天体物理学的および初期宇宙の状況におけるダークマターおよび奇妙粒子生成のモデルのベンチマークを提供すること。
• 広視野のロボット望遠鏡を用いたこれらの物体の検出可能性を評価し、既存の観測データの感度を評価すること。

提案手法

• 16台のカメラが約2 srの領域をカバーする広視野で、高時間分解能の空の画像を取得するPi of the Skyロボット望遠鏡ネットワークを用いた。
• 高エネルギーで大気に通過する高品質な物体による、直線的かつ一様な明るさのトレースを、視覚的データから分析した。
• 質量、速度、大気密度との相互作用に基づいて、仮説的な核子体および類似物体からの光放出をシミュレートした。
• シミュレートされたトレースと観測された画像の特性に基づいて、検出効率補正を施し、特に100 g–100 kgの質量範囲に焦点を当てた。
• 観測された候補イベント数を全観測時間および空の領域で正規化することで、等方的フラックス限界を計算した。
• 静的銀河系ダークマター海を仮定し、観測されたイベントレートと幾何的露出量を用いて、方向的フラックス限界を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pi of the Skyデータに目立つ発光トレースが検出されなかったという事実と整合する、核子体およびその他の重いコンパクト物体の最大フラックスは何か？
• RQ2 100 g–100 kgの物体に対する等方的および方向的フラックス限界は、標準的ハロー模型のようなダークマター理論的予測とどのように比較できるか？
• RQ3 明るさ解析およびシミュレーションの精度を高めることで、これらの物体の検出効率はどの程度向上できるか？
• RQ4 光度が検出器に飽和する閾値付近の質量に近づくと、限界はどのように変化するか？
• RQ5 磁化された核子体のような、より高い相互作用断面積を持つ特定の奇妙コンパクト物体モデルは、観測データによって制約可能か？

主な発見

• 100 g–100 kgの質量範囲における核子体の等方的フラックス限界は、$5.4\cdot10^{-20}$ から $2.2\cdot10^{-21}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$ の間であり、この質量範囲でこれまでで最も厳しい制約を示している。
• 静的銀河系ダークマター海を仮定した場合の方向的フラックス限界は、同じ質量範囲で $1.5\cdot10^{-18}$ から $2.1\cdot10^{-19}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ の間である。
• 研究対象の質量範囲において、検出効率の不確実性に対して頑健である。これは主に実験の視野と観測時間によって制限されている。
• 上向きの物体に対しては、1 kg以上の質量では、等方的限界を2倍に改善できる可能性がある。これは地球を通過する際のエネルギー損失が最小であるためである。
• 結果として、特に磁化された核子体のような高い相互作用断面積を持つモデルを制約する強固な根拠が得られた。
• 広視野のロボット望遠鏡による光学サーベイが、高質量で低断面積のコンパクト物体の存在を調査するための実用的で感度の高い手法であることが示された。