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

The Pierre Auger Collaboration, P. Abreu+366 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用 2

一句话总结

本研究利用皮埃尔·朱雷天文台地表探测器，对10^19 eV以上能量范围的宇宙射线中弥散光子通量设定了迄今为止最严格的限制。通过对广延空气簇射数据的分析，该研究对宇宙起源光子的产生设定了新的约束，探测了纯质子模型中最乐观的预测，并为未来升级后的观测站灵敏度提升铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 利用皮埃尔·朱雷天文台地表探测器搜索10^19 eV以上的超高能光子。
• 对10^19 eV以上能量范围内超高能光子的弥散通量设定迄今为止最严格的限制。
• 检验光子产生天体物理模型的预测，特别是混合成分和纯质子情景下的宇宙起源光子。
• 评估当前分析对其他信使粒子的方位和时间一致性的搜索灵敏度。

提出的方法

• 分析使用皮埃尔·朱雷天文台地表探测器阵列的数据，该阵列记录由宇宙射线引发的广延空气簇射。
• 通过水契忍可夫探测器中信号的横向分布和时间特性，识别光子，因其独特的簇射发展特征而得以区分。
• 应用专门的重建与选择程序，以抑制强子簇射背景，分离潜在的电磁样簇射。
• 对重建的簇射参数应用能量和角度分辨率修正，以提高对高能光子的探测灵敏度。
• 采用统计方法设定光子通量的上限，同时考虑背景不确定性与系统效应。
• 将结果与包括混合成分和纯质子情景在内的宇宙起源光子产生理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于当前地表探测器数据，10^19 eV以上超高能光子弥散通量的上限是多少？
• RQ2 观测到的限制与混合成分和纯质子情景下宇宙起源光子模型的预测相比如何？
• RQ3 当前限制在多大程度上挑战或约束了光子产生机制最乐观的理论预测？
• RQ4 当前分析框架能否扩展至与其他天体物理信使进行方位或时间一致性的搜索？

主要发现

• 本研究设定了迄今为止对10^19 eV以上超高能光子弥散通量最严格的上限，显著优于此前在10^19 eV以上能量范围的约束。
• 当前限制尚未排除混合成分模型所预测的宇宙起源光子通量，但已开始探测纯质子情景中最乐观的预测。
• 该分析展现出探测超高能光子通量的灵敏度，足以区分关于超高能宇宙射线起源的多种竞争性天体物理模型。
• 结果对系统不确定性具有鲁棒性，为未来皮埃尔·朱雷天文台升级后的灵敏度提升奠定了坚实基础。
• 本研究开发的方法可直接应用于特定天体源光子发射的方位搜索。
• 该分析框架支持与其他多信使数据（如中微子或伽马射线）的时间一致搜索，显著增强了联合发现的潜力。