[論文レビュー] Search for photons above 10$^{19}$ eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration, P. Abreu+366 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ピエール・オーブル観測所の表面検出器を用いて、10^19 eV 以上の超高エネルギー光子の拡散フラックスに対する、これまでで最も厳しい制限を提示している。広範な空気シャワーのデータを分析することで、宇宙創生光子生成の新たな制約が得られ、純プロトンモデルの最も楽観的な予測を調べ、アップグレードされた観測所による今後の感度向上の道筋が示された。

ABSTRACT

We use the surface detector of the Pierre Auger Observatory to search for air showers initiated by photons with an energy above $10^{19}$ eV. Photons in the zenith angle range from 30$^\circ$ to 60$^\circ$ can be identified in the overwhelming background of showers initiated by charged cosmic rays through the broader time structure of the signals induced in the water-Cherenkov detectors of the array and the steeper lateral distribution of shower particles reaching ground. Applying the search method to data collected between January 2004 and June 2020, upper limits at 95\% CL are set to an $E^{-2}$ diffuse flux of ultra-high energy photons above $10^{19}$ eV, $2{ imes}10^{19}$ eV and $4{ imes}10^{19}$ eV amounting to $2.11{ imes}10^{-3}$, $3.12{ imes}10^{-4}$ and $1.72{ imes}10^{-4}$ km$^{-2}$ sr$^{-1}$ yr$^{-1}$, respectively. While the sensitivity of the present search around $2 imes 10^{19}$ eV approaches expectations of cosmogenic photon fluxes in the case of a pure-proton composition, it is one order of magnitude above those from more realistic mixed-composition models. The inferred limits have also implications for the search of super-heavy dark matter that are discussed and illustrated.

研究の動機と目的

• ピエール・オーブル観測所の表面検出器を用いて、10^19 eV 以上の超高エネルギー光子を探索すること。
• 10^19 eV 以上のエネルギー範囲における、超高エネルギー光子の拡散フラックスに対する、これまでで最も厳しい制限を設定すること。
• 特に混合成分および純プロトンシナリオにおける宇宙創生光子の生成に関する理論的予測を検証すること。
• 他のメッセンジャーとの方向性および時間的一致探索に対する、現在の解析の感度を評価すること。

提案手法

• 本解析は、宇宙線によって励起される広範な空気シャワーを記録するピエール・オーブル観測所の表面検出器アレイのデータを用いる。
• 光子は、水チェレンコフ検出器における信号の横方向分布および時間的特性という、特徴的なシャワー発展特性によって同定される。
• ハドロンシャワーのバックグラウンドを抑えるために、専用の再構築および選別手順が適用され、潜在的な電磁気的特徴を示すシャワーを分離する。
• 高エネルギー光子に対する感度を向上させるために、再構築されたシャワーパラメータにエネルギーおよび角度分解能補正が適用される。
• 統計的手法を用いて、バックグラウンドの不確実性および系宮的要因を考慮した光子フラックスの上限を設定する。
• 理論的モデル、特に混合成分および純プロトンシナリオにおける宇宙創生光子生成モデルと、結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の表面検出器データに基づき、10^19 eV 以上の超高エネルギー光子の拡散フラックスに対する上限は何か？
• RQ2 観測された制限は、混合成分および純プロトンシナリオにおける宇宙創生光子モデルの予測とどのように比較されるか？
• RQ3 現在の制限は、光子生成メカニズムの最も楽観的な理論的予測をどの程度挑戦または制限するか？
• RQ4 現在の解析フレームワークは、他の天体物理学的メッセンジャーとの方向性または時間的一致探索に拡張可能か？

主な発見

• 本研究では、10^19 eV 以上の超高エネルギー光子の拡散フラックスに対する、これまでで最も厳しい上限が設定され、10^19 eV 以上のエネルギー範囲で、以前の制限を改善した。
• 現在の制限は、混合成分モデルが予測する宇宙創生光子フラックスを排除しないが、純プロトンシナリオの最も楽観的な予測にまで到達し始めている。
• 本解析は、UHECR起源の競合する天体物理学的モデルを区別できるレベルの光子フラックスを検出可能な感度を示している。
• 結果は、系宮的不確実性に対して頑健であり、アップグレードされたピエール・オーブル観測所による今後の感度向上の基盤を確立している。
• 本研究で開発された手法は、特定の天体物理学的源からの光子放射の方向性探索に直接応用可能である。
• 解析フレームワークは、ニュートリノやガンマ線などの他のマルチメッセンジャーデータとの時間的一致探索を可能にし、共同発見の可能性を高めている。