[论文解读] Search for Ultra-High Energy Photons with the Pierre Auger Observatory

P. Homola|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 1

一句话总结

本文总结了利用皮埃尔·让天文台数据搜索超高能（UHE）光子的研究，通过空气簇射特征（如延迟发展和muon含量减少）识别光子候选体。尽管未检测到信号，该研究仍设定了迄今为止最严格的UHE光子通量上限，有效约束了各种奇异的'自上而下'模型及宇宙起源光子的预测。

ABSTRACT

One of key scientific objectives of the Pierre Auger Observatory is the search for ultra-high energy photons. Such photons could originate either in the interactions of energetic cosmic-ray nuclei with the cosmic microwave background (so-called cosmogenic photons) or in the exotic scenarios, e.g. those assuming a production and decay of some hypothetical super-massive particles. The latter category of models would imply relatively large fluxes of photons with ultra-high energies at Earth, while the former, involving interactions of cosmic-ray nuclei with the microwave background - just the contrary: very small fractions. The investigations on the data collected so far in the Pierre Auger Observatory led to placing very stringent limits to ultra-high energy photon fluxes: below the predictions of the most of the exotic models and nearing the predicted fluxes of the cosmogenic photons. In this paper the status of these investigations and perspectives for further studies are summarized.

研究动机与目标

• 利用皮埃尔·让天文台的广延空气簇射（EAS）数据，搜索宇宙射线中的超高能（UHE）光子。
• 通过约束UHECR中光子成分的比例，区分UHECR起源的'自下而上'与'自上而下'模型。
• 通过光子通量上限检验洛伦兹不变性破坏（LIV）和QED非线性性等基础物理假说。
• 通过先进的数据分析技术，实现对方向性、弥散及目标源的UHE光子探测灵敏度提升。
• 探索通过切伦科夫望远镜阵列（CTA）等替代方法实现未来探测的前景，包括切伦科夫预簇射与级联光子相互作用。

提出的方法

• 利用广延空气簇射（EAS）模拟，建模光子引发的簇射，重点分析因LPM效应导致的延迟发展及muon含量减少。
• 应用能量与方向相关的筛选标准，从皮埃尔·让天文台数据集中识别候选UHE光子簇射。
• 在宽广能量范围（10^17.3 至 10^18.5 eV）和赤纬带（−85° 至 +20°）内，采用方向性与角度相关性技术，开展弥散光子通量搜索。
• 针对165个候选银河系及河外源（分组为类别）开展目标搜索，应用背景建模与统计检验。
• 采用基于似然的方法，绘制点源光子通量上限的天图，实现全天空能量依赖的灵敏度分布。
• 考虑替代探测策略，包括利用切伦科夫望远镜逐事件识别光子预簇射，以及大气中光子级联相互作用的探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于当前皮埃尔·让天文台数据，超高能光子（E > 10^17.3 eV）弥散通量的最严格上限是什么？
• RQ2 方向性或点源搜索能否揭示来自已知天体的局域化UHE光子发射？
• RQ3 观测到的UHE光子通量上限在多大程度上约束了涉及大质量粒子衰变与宇宙起源光子产生的'自上而下'模型？
• RQ4 LPM效应与空气簇射中muon含量在多大程度上可用于区分光子引发的簇射与核素引发的簇射？
• RQ5 未来探测方法（如切伦科夫望远镜阵列CTA）在通过预簇射或级联特征识别UHE光子方面具有多大潜力？

主要发现

• 皮埃尔·让天文台设定了迄今为止最严格的超高能光子弥散通量上限，其水平接近宇宙起源光子的理论预测值。
• 在弥散通量搜索中未发现光子候选体的显著过量，能量范围从10^17.3 eV至10^18.5 eV的上限已确定。
• 在对165个候选源的目标搜索中，未观测到UHE光子发射的证据，已建立粒子与能量通量的上限，显著约束了来自银河系中心等天体的EeV质子发射模型。
• 点源通量上限的天图（图4）显示，其在银道坐标系中具有能量依赖的灵敏度，绿色曲线代表皮埃尔·让天文台的极限，带状区域反映H.E.S.S.测量的不确定性。
• 对于银河系中心区域，皮埃尔·让天文台的极限（绿色曲线）排除了H.E.S.S.的外推谱模型，除非在E_cut = 2.0 × 10^6 TeV处引入谱指数截断。
• 本研究证实，UHE光子的未观测到现象与标准'自下而上'模型及奇异'自上而下'情景均一致，但强烈排斥预测高光子通量的模型。