[論文レビュー] The HAWC Gamma-Ray Observatory: Dark Matter, Cosmology, and Fundamental Physics

HAWC Collaboration, A. U. Abeysekara+100 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

HAWCの広い視野と高い効率は、WIMPやQボソンなどの未知のダークマター、原始ブラックホールの爆発、ローレンツ不変性の破れ、およびガンマ線の時間遅れを用いた銀河間磁場（IGMF）の検出に非常に感受性を示す。IGMFの強度を10⁻¹⁸ Gまで探査可能であり、PBHの爆発を検出可能または厳密な制限を設けることができ、標準模型を超える基礎物理学の探査においてフェルミとIACTsを補完する。

ABSTRACT

The High-Altitude Water Cherenkov Gamma Ray Observatory (HAWC) is designed to perform a synoptic survey of the TeV sky. The high energy coverage of the experiment will enable studies of fundamental physics beyond the Standard Model, and the large field of view of the detector will enable detailed studies of cosmologically significant backgrounds and magnetic fields. We describe the sensitivity of the full HAWC array to these phenomena in five contributions shown at the 33rd International Cosmic Ray Conference in Rio de Janeiro, Brazil (July 2013).

研究の動機と目的

• HAWCの広い有効面積と高い効率を活用し、WIMPやQボソンのような異常なダークマター候補の探索を目的とする。
• HAWCの広い視野と高エネルギーガンマ線への感受性を活かして、原始ブラックホール（PBH）の爆発を検出するか、その限界を設定することを目的とする。
• ガンマ線バーストからの高エネルギー光子の時間遅れを用いて、ローレンツ不変性の破れ（LIV）を調査することを目的とする。
• ブレーザーのフレアからのカスケード放射の時間遅れを分析することで、銀河間磁場（IGMF）を測定することを目的とする。
• IGMF強度の制約を強化するために、ブレーザーの放射度を偏りのない長期的モニタリングを実施することを目的とする。

提案手法

• 標高4100mに位置する22,000 m²の300個の水チェレンコフ検出器アレイを用い、90％を超える高い効率と優れた角度分解能でTeVガンマ線を検出する。
• 非相対論的粒子の探索に特化したトリガー・アルゴリズムを備えた柔軟なデータ取得システムを採用し、Qボソンの探索に用いる。
• IGMFによって誘発されるペアカスケードによるブレーザーからのガンマ線放射の時間遅れを分析し、異なる磁場強度におけるカスケード発展をモデル化する。
• HAWCデータとフェルミ-LAT観測を組み合わせ、フレアの時間構造を分析することで、10⁻¹⁸–10⁻¹⁶ Gの範囲におけるIGMF感受性を向上させる。
• ガンマ線バーストのデータを用いて、エネルギー依存性の時間遅れがローレンツ不変性の破れを示唆するかをテストし、10¹⁶分の1の精度に達する感受性を有する。
• モンテカルロシミュレーションを実施し、蒸発するブラックホールが質量約5×10¹⁴ gの熱放射を発するという仮定の下、HAWCのPBH爆発に対する感受性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCは、TeVエネルギー範囲の原始ブラックホール爆発を検出可能か、または厳密な制限を設けることができるか？
• RQ2 HAWCは、100 GeVを超えるエネルギー領域における間接的WIMPダークマター消失信号に対して、どの程度の感受性を有するか？
• RQ3 HAWCは、銀河間磁場におけるペアカスケードによって引き起こされるブレーザーからのガンマ線放射の時間遅れを検出可能か？
• RQ4 HAWCは、フレアからの遅延カスケード放射を用いて、どの程度の最小IGMF強度を測定可能か？
• RQ5 HAWCは、IGMFに起因する遅れを、ローレンツ不変性の破れなどの他の時間遅れ機構と区別できるか？

主な発見

• HAWCは、特にフェルミデータと組み合わせることで、ブレーザーのフレアからのガンマ線放射の時間遅れを用いて、IGMFを10⁻¹⁸ガウスまで探査可能である。
• IGMF強度が10⁻¹⁷～10⁻¹⁶ガウスの場合、カスケード遅れは数か月のオーダーになると予想され、フレア持続時間が短ければHAWCで検出可能である。
• HAWCの高い効率と全天モニタリング能力により、フレアをリアルタイムで捉えることができ、フェルミとのフォローアップ観測が可能となり、IGMFの制約が強化される。
• フレアの内部構造に1時間程度の減衰特徴が観測されない場合、特に10⁻¹⁸–10⁻¹⁶ Gの範囲で非ゼロのIGMFが強く示唆される。
• HAWCデータのみを用いても、IGMF強度が約10⁻¹⁶ GのフレアからのIGMF信号を検出可能であり、フェルミ観測と組み合わせることで感受性を10⁻¹⁸ Gまで拡張可能である。
• HAWCの広い視野と高い効率のおかげで、PBH爆発に対する感受性は過去の実験を上回り、爆発率の検出またはより厳密な制限が可能となる。