[论文解读] Search for the evaporation of primordial black holes with H.E.S.S

H. E. S. S. collaboration, Ait Benkhali, F.+146 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本研究利用 H.E.S.S. 2012 至 2021 年的 4,816 小時觀測數據，搜尋原初黑洞（PBHs）最終蒸發時產生的短時標超高能（VHE）伽馬射線爆發。未檢測到顯著信號，因此在 95% 置信水準下，本地 PBH 蒸發爆發率的上限為 2,000 pc⁻³ yr⁻¹，從而對 PBH 作為暗物質候選者的可能性形成約束。

ABSTRACT

Primordial Black Holes (PBHs) are hypothetical black holes predicted to have been formed from density fluctuations in the early Universe.PBHs with an initial mass around 10$^{14}$–10$^{15}$ g are expected to end their evaporation at present times in a burst of particles and very-high-energy (VHE) gamma rays.Those gamma rays may be detectable by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes.This paper reports on the search for evaporation bursts of VHE gamma rays with H.E.S.S., ranging from 10 to 120 seconds, as expected from the final stage of PBH evaporation and using a total of 4816 hours of observations.The most constraining upper limit on the burst rate of local PBHs is2000 pc$^{-3}$ yr$^{-1}$ for a burst interval of 120 seconds, at the 95% confidence level. The implication of these measurements for PBH dark matter are also discussed.

研究动机与目标

• 測試原初黑洞（PBHs）通過霍金輻射蒸發、產生可探測的 VHE 伽馬射線爆發的假設。
• 在 H.E.S.S. 數據中搜尋對應於初始質量約為 10¹⁴–10¹⁵ g 的 PBHs 最終蒸發階段的短時標（10–120 秒）光子簇。
• 基於未檢測到蒸發爆發，約束本地 PBH 密度及在暗物質組成中的初始質量分數。
• 將 H.E.S.S. 的限制與伽馬射線背景測量及其他實驗的現有約束進行比較。

提出的方法

• 利用 2012 至 2021 年 H.E.S.S. 的 4,816 小時觀測數據，專注於 10–120 秒時標的時間解析光子簇聚。
• 應用聚類演算法以識別時間順序光子數據中的潛在爆發事件。
• 使用時間與能量依賴的蒙特卡洛模擬及資料驅動方法估算背景。
• 根據 PBH 蒸發模型計算預期信號率，假設初始質量函數為指數 β 的幂律分佈。
• 利用檢測到的聚類數量在 95% 置信水準下的上限，推導 PBH 爆發率的上限。
• 將爆發率上限轉換為在假設初始質量分佈為幂律且 β ∈ [2,3] 時，PBH 初始質量分數相對於暗物質的約束。

实验结果

研究问题

• RQ1 H.E.S.S. 測量的原初黑洞蒸發產生的 VHE 伽馬射線爆發的本地爆發率上限是多少？
• RQ2 在假設初始質量函數為幂律的情況下，H.E.S.S. 結果如何約束 PBH 在暗物質密度中的初始質量分數？
• RQ3 H.E.S.S. 的限制與銀河系及星系際伽馬射線背景的現有約束相比如何？
• RQ4 H.E.S.S. 對太陽周圍 0.1 pc 內 PBH 的敏感度如何？與廣角天空背景測量有何不同？
• RQ5 未來望遠鏡如 CTA 在探測或進一步約束 PBH 蒸發信號方面預期有何改進？

主要发现

• 在 10–120 秒時標內未觀測到光子簇的顯著過量，與背景波動一致。
• 本地 PBH 蒸發爆發率的最緊密 95% 置信水準上限為 2,000 pc⁻³ yr⁻¹。
• 對於指數 β ∈ [2,3] 的幂律初始質量函數，PBH 初始質量分數相對於暗物質的上限約為 0.1 ΩDM。
• H.E.S.S. 的限制不如來自伽馬射線背景的限制嚴謹，但對太陽周圍 0.1 pc 內的近距離 PBH 敏感。
• 結果的敏感度與 HAWC 和 Fermi-LAT 相當，儘管信號預測與能量閾值不同。
• 若未檢測到信號，未來使用切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）的觀測預期可使爆發率上限提高一個數量級。