[논문 리뷰] Search for photons above 10$^{19}$ eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration, P. Abreu외 366명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 62인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 페르리 아우제르 관측소의 표면 검출기들을 사용하여 10^19 eV 이상의 초고에너지 광자에 대한 산재한 플럭스에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 제시한다. 광역 공기 샤워 데이터를 분석함으로써, 분석은 우주에서 생성되는 광자 생성에 대한 새로운 제약 조건을 설정하며, 순수 수소핵 모델의 가장 낙관적인 예측을 탐색하고, 향후 개선된 관측소로의 민감도 향상에 길을 열고 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 페르리 아우제르 관측소의 표면 검출기를 사용하여 10^19 eV 이상의 초고에너지 광자를 탐색하기 위해.
• 10^19 eV 이상의 에너지 범위에서 초고에너지 광자의 산재한 플럭스에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하기 위해.
• 혼합 조성과 순수 수소핵 시나리오에서의 우주에서 생성되는 광자 생성에 대한 천체물리학적 모델의 예측을 테스트하기 위해.
• 다른 메신저와의 방향성 및 시간적으로 일치하는 탐색에 대한 현재 분석의 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 분석은 페르리 아우제르 관측소의 표면 검출기 어레이에서 확득된 자료를 사용하며, 이는 우주선에 의해 유도된 광역 공기 샤워를 기록한다.
• 광자는 물체 내 수중 츄레노프 검출기에서 신호의 횡방향 분포 및 시간적 특성과 같은 고유한 샤워 발달 특성에 의해 식별된다.
• 핵반응 샤워 배경을 억제하고 전자기적 유사 샤워를 분리하기 위해 전용 재구성 및 선택 절차가 적용된다.
• 고에너지 광자에 대한 민감도를 향상시키기 위해 재구성된 샤워 매개변수에 에너지 및 각도 해상도 보정을 적용한다.
• 배경 불확실성과 체계적 요소를 고려하여 통계적 방법을 사용하여 광자 플럭스의 상한을 설정한다.
• 결과는 혼합 조성과 순수 수소핵 시나리오를 포함한 우주에서 생성되는 광자 생성 이론 모델과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 표면 검출기 자료를 바탕으로 10^19 eV 이상의 초고에너지 광자의 산재한 플럭스에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 관측된 한계는 혼합 조성과 순수 수소핵 시나리오에서의 우주에서 생성되는 광자 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 현재 한계는 광자 생성 메커니즘의 가장 낙관적인 이론적 예측을 어느 정도 도전하거나 제약하는가?
• RQ4 현재 분석 프레임워크는 다른 천체물리적 메신저와의 방향성 또는 시간적으로 일치하는 탐색으로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 10^19 eV 이상의 초고에너지 광자의 산재한 플럭스에 대해 현재까지 가장 엄격한 상한을 설정하였으며, 10^19 eV 이상의 에너지 범위에서 이전 제약 조건을 향상시켰다.
• 현재 한계는 혼합 조성 모델이 예측하는 우주에서 생성되는 광자 플럭스를 배제하지 않지만, 순수 수소핵 시나리오의 가장 낙관적인 예측을 이미 탐색하기 시작하고 있다.
• 분석은 초고에너지우주선(UHECR) 기원에 대한 경쟁하는 천체물리학 모델을 구분할 수 있는 수준의 광자 플럭스 감지 민감도를 보여주었다.
• 결과는 체계적 불확실성에 대해 강건하며, 향후 개선된 페르리 아우제르 관측소로의 민감도 향상에 탄탄한 기초를 제공한다.
• 이 작업에서 개발된 방법론은 특정 천체적 소스에서의 광자 방출에 대한 방향성 탐색에 직접 적용 가능하다.
• 분석 프레임워크는 중성자 또는 감마선과 같은 다른 다중메신저 데이터와의 시간적으로 일치하는 탐색을 가능하게 하여, 공동 발견의 잠재력을 향상시킨다.