[论文解读] Closing the gap: Near future MeV telescopes can discover asteroid-mass primordial black hole dark matter

Anupam Ray, Ranjan Laha+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文表明，像 AMEGO 这类近未来 MeV 伽马射线望远镜可通过观测其霍金辐射，检测或排除质量为小行星级的原初黑洞（PBHs）作为暗物质唯一组分的可能性。凭借 AMEGO 的灵敏度，非旋转 PBHs 的质量上限可被排除至 7×10¹⁷ g，置信水平为 95%，相较现有约束提升了近一个数量级。

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs), formed out of large overdensities in the early Universe, are a viable dark matter (DM) candidate over a broad range of masses. Ultra-light, asteroid-mass PBHs with masses around $10^{17}$ g are particularly interesting as current observations allow them to constitute the entire DM density. PBHs in this mass range emit $\sim$ MeV photons via Hawking radiation which can directly be detected by the gamma ray telescopes, such as the upcoming AMEGO. In this work we forecast how well an instrument with the sensitivity of AMEGO will be able to detect, or rule out, PBHs as a DM candidate, by searching for their evaporating signature when marginalizing over the Galactic and extra-Galactic gamma-ray backgrounds. We find that an instrument with the sensitivity of AMEGO could exclude non-rotating PBHs as the only DM component for masses up to $7 imes 10^{17}$ g at 95% confidence level (C.L.) for a monochromatic mass distribution, improving upon current bounds by nearly an order of magnitude. The forecasted constraints are more stringent for PBHs that have rotation, or which follow extended mass distributions.

研究动机与目标

• 评估未来 MeV 伽马射线望远镜（如 AMEGO）探测或排除原初黑洞（PBHs）作为暗物质来源的能力。
• 评估通过其霍金辐射发射 MeV 光子探测小行星质量范围（~10¹⁷ g）PBHs 的可探测性。
• 在预测探测灵敏度时，考虑银河系及河外伽马射线背景的不确定性。
• 确定 PBH 旋转和质量分布扩展对探测能力和约束的影响。

提出的方法

• 该研究对质量约为 10¹⁷ g 的 PBHs 的霍金辐射谱进行建模，预测其主要发射能量在 MeV 量级。
• 利用 AMEGO 望远镜的仪器灵敏度曲线，模拟对单色及扩展 PBH 质量分布的探测能力。
• 通过天体物理模型对银河系及河外弥散伽马射线辐射背景进行边缘化处理，以避免误报。
• 通过似然分析计算统计显著性，以确定 95% 置信水平下的排除限。
• 分析涵盖非旋转和旋转 PBHs，其中旋转效应会改变其发射谱和可探测性。
• 通过将预测的 PBH 信号与 AMEGO 的背景限灵敏度进行比较，推导出约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 像 AMEGO 这类 MeV 伽马射线望远镜能否探测或排除小行星质量原初黑洞作为主导暗物质组分？
• RQ2 银河系及河外伽马射线背景的不确定性如何影响 PBH 霍金辐射的可探测性？
• RQ3 对于单色质量分布，AMEGO 在 95% 置信水平下可排除的最大 PBH 质量是多少？
• RQ4 PBH 旋转如何影响其霍金辐射特征信号的可探测性？
• RQ5 PBH 的扩展质量分布如何影响未来 MeV 望远镜的灵敏度和约束能力？

主要发现

• 具备 AMEGO 敏感度的仪器可在 95% 置信水平下，将非旋转原初黑洞作为唯一暗物质组分的排除质量上限扩展至 7×10¹⁷ g。
• 预测的排除限相较现有观测约束提升了近一个数量级。
• 由于发射谱被修改且可探测性增强，旋转 PBH 的约束更为严格。
• 扩展质量分布导致约束变弱但仍可测量，其灵敏度取决于分布的宽度和形状。
• 本研究证实，MeV 伽马射线望远镜在探测暗物质的小行星质量 PBH 窗口方面具有独特优势。