[论文解读] Prospects for the Observation of Primordial Black Hole evaporation with the Southern Wide Field of View Gamma-ray Observatory

R. López-Coto, M. Doro+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 33被引用 12

一句话总结

本文评估了南向大视场伽马射线观测站（SWGO）作为下一代仪器探测蒸发原初黑洞（PBHs）短时伽马射线闪光的能力。利用模拟灵敏度及内外阵列数据的联合分析，SWGO可在0.5–5秒积分窗口内将PBH爆发率限制在约50 pc⁻³ yr⁻¹，相比现有极限提升一个多数量级以上，尤其对短时爆发的探测能力显著增强。

ABSTRACT

Primordial Black Holes (PBHs) are remnants of objects formed in the early Universe. Their lifetime is an increasing function of their mass, so PBHs in the right mass range can end their lives in an evaporation event that is potentially detectable by our instruments now. This evaporation may result in a $\gamma$-ray flash that can be detected by the current generation of Very-High-Energy $\gamma$-ray detectors. The Southern Wide field of view Gamma-ray Observatory (SWGO) will be part of the next generation of these instruments. It will be able to establish limits on PBH evaporations for integration windows between 0.5 and 5 s, in a radius of 0.25 pc around the Earth, being sensitive to a rate of the order of $\sim$50 pc$^{-3}$ yr$^{-1}$, more than one order of magnitude more constraining than the currently established best limits.

研究动机与目标

• 评估SWGO对蒸发原初黑洞（PBHs）产生的短时伽马射线闪光的灵敏度。
• 利用广角视场VHE伽马射线天文台，改进现有PBH爆发率的观测限制。
• 量化探测器配置（内阵列与外阵列）及积分时间对探测PBH蒸发信号灵敏度的影响。
• 在地球周围0.25 pc范围内，提供稳健的、背景校正后的PBH爆发率上限。

提出的方法

• 本研究使用标准蒸发模型（SEM）模拟质量约为10¹⁵ g的PBHs产生的光子通量，预测持续时间为0.5–1000秒的短时伽马射线爆发。
• 通过模拟在20°天顶角下的有效面积、能量分辨率和角分辨率，计算灵敏度，并假设伽马射线效率为75%。
• 采用保守、基准和乐观三种背景率模型，以涵盖检测阈值的不确定性。
• 通过联合似然分析，融合SWGO高填充因子内阵列与低填充因子外阵列的数据，以优化灵敏度。
• 使用5σ阈值计算事后显著性，以确定最小可探测信号及相应的爆发率上限。
• 分析中考虑了能量相关的探测效率，并对时间窗口进行积分，以优化不同爆发持续时间下的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 SWGO能否探测到持续时间为0.5至5秒的蒸发原初黑洞的伽马射线闪光？
• RQ2 SWGO内阵列与外阵列在探测短时PBH爆发方面灵敏度有何差异？
• RQ3 在10年观测期内，SWGO可达到的PBH爆发率上限是多少？
• RQ4 SWGO的灵敏度与现有VHE伽马射线仪器（如HAWC、HESS和Fermi-LAT）相比如何？
• RQ5 SWGO能否在短时PBH蒸发事件上将当前最佳限制提升一个数量级以上？

主要发现

• 对于0.5至5秒的积分窗口，SWGO可实现约50 pc⁻³ yr⁻¹的PBH爆发率上限。
• 在10年观测期内，SWGO的灵敏度比目前最佳实验低约两个数量级。
• 由于在高能区具有更大的有效面积，SWGO外阵列在爆发持续时间低于10秒时优于内阵列。
• SWGO双阵列联合灵敏度相比HAWC的最佳现有限制，将探测阈值提高了10倍。
• 研究表明，SWGO对PBH爆发率的限制精度高于以往仪器，尤其在短时事件中表现更优。
• 在不同背景率假设下结果均具鲁棒性，保守与乐观情景将最终限制值包围。