[논문 리뷰] Limits on the flux of nuclearites and other heavy compact objects from the "Pi of the Sky" project

L. W. Piotrowski, K. Małek외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 30인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 핵미립자 및 기타 무거운 밀집 천체(100 g–100 kg)에 대해 Pi of the Sky 로봇 천체망의 시각 데이터를 사용하여 지금까지 가장 엄격한 유속 한계를 제시한다. 고속으로 대기를 통과하는 질량이 큰 물체가 대기 중에서 에너지를 방출함으로써 생기는 빛나는 궤적을 천체 사진 분석을 통해 탐지함으로써, 등방성 유속 한계는 $5.4\cdot10^{-20}$에서 $2.2\cdot10^{-21}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$ 사이, 방향성 유속 한계는 $1.5\cdot10^{-18}$에서 $2.1\cdot10^{-19}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ 사이로 설정되었으며, 암흑 물질 및 이색 밀집 천체 모델을 제약한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광학 천체 촬영을 통해 핵미립자, Q-볼, 자석 단극자와 같은 가상의 무거운 밀집 천체의 유속을 제약하기 위해.
• 이러한 천체가 존재할 경우, 고속 통과로 인한 에너지 손실로 인해 대기 중에서 눈에 띄는 빛나는 궤적을 생성할 것이라는 가설을 검증하기 위해.
• 100 g–100 kg 질량 범위에서 이러한 천체에 대한 등방성 및 방향성 유속의 엄격한 상한선을 설정하기 위해.
• 암흑 물질 및 이색 입자 생성의 천체물리적 및 초기 우주 시나리오에서의 미래 모델에 기초 자료를 제공하기 위해.
• 광역 로봇 천체망을 통해 이러한 천체의 탐지 가능성과 기존 관측 데이터의 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 16개의 카메라로 약 2 sr의 천체 영역을 커버하는 넓은 시야, 고시간 해상도의 천체 사진을 촬영하는 Pi of the Sky 로봇 천체망을 활용하였다.
• 고속으로 대기를 통과하는 질량이 큰 물체의 흔적을 나타내는 선형적이고 일정한 밝기의 궤적을 시각 데이터에서 분석하였다.
• 질량, 속도 및 대기 밀도와의 상호작용을 바탕으로 가상의 핵미립자 및 유사 천체의 빛 방출을 시뮬레이션하였다.
• 모의 궤적과 관측된 이미지 특성에 기반한 탐지 효율 보정을 적용하였으며, 주로 100 g–100 kg 질량 범위에 집중하였다.
• 검출된 후보 사건 수를 총 관측 시간과 천체 영역으로 정규화하여 등방성 유속 한계를 계산하였다.
• 정적 은하계 암흑 물질 해를 가정할 때, 관측된 사건 빈도와 기하학적 노출량을 사용하여 방향성 유속 한계를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pi of the Sky 데이터에서 눈에 띄는 빛나는 궤적이 관측되지 않은 것과 일치할 수 있는 핵미립자 및 기타 무거운 밀집 천체의 최대 유속은 얼마인가?
• RQ2 100 g–100 kg 천체에 대한 등방성 및 방향성 유속 한계는 표준 헬름 모델과 같은 암흑 물질 모델의 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 밝기 분석 및 시뮬레이션 정확도를 향상시킴으로써 이러한 천체의 탐지 효율을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 빛 방출이 감지기에서 포화 상태에 도달하는 임계점 근처에서 천체 질량에 따라 한계가 어떻게 변하는가?
• RQ5 자기장이 있는 핵미립자처럼 더 높은 상호작용 단면적을 가진 특정 이색 밀집 천체 모델을 관측 데이터가 얼마나 잘 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 100 g–100 kg 질량 범위에서 핵미립자의 등방성 유속 한계는 $5.4\cdot10^{-20}$에서 $2.2\cdot10^{-21}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\mathrm{sr}^{-1}$ 사이로, 이 질량 범위에서 지금까지 가장 엄격한 제약이다.
• 정적 은하계 암흑 물질 해를 가정할 경우, 동일한 질량 범위에서의 방향성 유속 한계는 $1.5\cdot10^{-18}$에서 $2.1\cdot10^{-19}\ \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ 사이이다.
• 연구된 질량 범위에서 탐지 효율의 불확실성에 대해 강건한 한계이지만, 주로 실험의 시야각과 관측 시간에 의해 제한된다.
• 상향 방향으로 이동하는 천체의 경우, 질량 ≥1 kg일 경우 등방성 한계가 약 두 배로 감소할 수 있다. 이는 지구를 통과할 때의 에너지 손실가 최소이기 때문이다.
• 결과는 암흑 물질 및 이색 밀집 천체 모델을 제약하는 데 강력한 기초를 제공하며, 특히 자기장이 있는 핵미립자와 같이 더 높은 상호작용 단면적을 가진 천체에 대해 유용하다.
• 이 연구는 광역 로봇 천체망을 활용한 광학 촬영이 고질량, 저단면적의 밀집 천체 존재를 탐지하는 데 실현 가능하고 민감한 방법임을 보여준다.