[論文レビュー] Search for the evaporation of primordial black holes with H.E.S.S

H. E. S. S. collaboration, Ait Benkhali, F.+146 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2012年から2021年までの4,816時間にわたるH.E.S.S.観測データを用いて、初期質量が約10¹⁴–10¹⁵ gの原始ブラックホール（PBH）の最終蒸発段階に伴う非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線の短時間継続的発光を探索した。有意な信号は検出されず、局所的なPBH蒸発バースト率に対する95%信頼水準の上限は2,000 pc⁻³ yr⁻¹であった。この結果により、PBHがダークマター候補である可能性が制限された。

ABSTRACT

Primordial Black Holes (PBHs) are hypothetical black holes predicted to have been formed from density fluctuations in the early Universe.PBHs with an initial mass around 10$^{14}$–10$^{15}$ g are expected to end their evaporation at present times in a burst of particles and very-high-energy (VHE) gamma rays.Those gamma rays may be detectable by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes.This paper reports on the search for evaporation bursts of VHE gamma rays with H.E.S.S., ranging from 10 to 120 seconds, as expected from the final stage of PBH evaporation and using a total of 4816 hours of observations.The most constraining upper limit on the burst rate of local PBHs is2000 pc$^{-3}$ yr$^{-1}$ for a burst interval of 120 seconds, at the 95% confidence level. The implication of these measurements for PBH dark matter are also discussed.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）がホーキング放射によって蒸発し、検出可能なVHEガンマ線バーストを発生させるという仮説を検証すること。
• 初期質量が約10¹⁴–10¹⁵ gのPBHの最終蒸発段階に対応する、10–120秒の短時間継続的光子クラスタをH.E.S.S.データから探索すること。
• 蒸発バーストの非検出をもとに、局所的なPBH密度およびダークマター予算内での初期質量分率を制限すること。
• H.E.S.S.の制限をガンマ線背景測定および他の実験から得られた制限と比較すること。

提案手法

• 2012年から2021年までの4,816時間にわたるH.E.S.S.観測データを用い、10–120秒の timescale における時間分解光子クラスタリングを焦点としている。
• 時間順序付けられた光子データ内に潜在的なバースト的イベントを同定するためにクラスタリングアルゴリズムを適用した。
• 時間およびエネルギー依存のモンテカルロシミュレーションとデータ駆動型手法を用いて背景を推定した。
• PBH蒸発モデルに基づき、指数βのべき乗則初期質量関数を仮定して、期待される信号率を計算した。
• 検出されたクラスタ数に対する95%信頼水準（CL）の上限を用いて、PBHバースト率の上限を導出した。
• β ∈ [2,3] のべき乗則質量分布を仮定し、この上限をダークマターに対する初期PBH質量分率への制限に変換した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H.E.S.S.が測定した、蒸発する原始ブラックホールからのVHEガンマ線バーストの局所的発生率に対する上限は何か？
• RQ2 べき乗則初期質量関数を仮定した場合、H.E.S.S.の結果はダークマター密度内での初期PBH質量分率をどのように制限するか？
• RQ3 H.E.S.S.の制限は、はくちゅう銀河および銀河間ガンマ線背景からの既存の制限とどのように比較できるか？
• RQ4 太陽から0.1 pc以内のPBHに対してH.E.S.S.の感度はどの程度で、広域天の川背景測定とはどのように異なるか？
• RQ5 今後の観測施設、例えばチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）では、PBH蒸発信号の検出またはさらなる制限をどのように向上できるか？

主な発見

• 10–120秒の timescale において、光子クラスタの有意な過剰は観測されず、背景の揺らぎと整合的であった。
• 局所的なPBH蒸発バースト率に対する最も厳しい95%信頼水準の上限は2,000 pc⁻³ yr⁻¹であった。
• 指数β ∈ [2,3] のべき乗則初期質量関数を仮定した場合、ダークマターに対する初期PBH質量分率の上限は約0.1 ΩDMのオーダーであった。
• H.E.S.S.の制限はガンマ線背景からの制限より厳しくないが、太陽から0.1 pc圏内の近接PBHに感受していた。
• HAWCおよびFermi-LATの結果と同等の感度であったが、信号予測およびエネルギー閾値が異なっていた。
• 今後のCherenkov Telescope Array（CTA）の観測では、信号が検出されない場合、バースト率上限が1桁改善される見込みである。