Diffuse Flux of Ultra-high-energy Photons from Cosmic-Ray Interactions in the Disk of the Galaxy and Implications for the Search for Decaying Super-heavy Dark Matter

被引:9
作者
Berat, Corine [1 ]
Bleve, Carla [1 ]
Deligny, Olivier [2 ]
Montanet, Francois [1 ]
Savina, Pierpaolo [2 ,3 ,4 ]
Torres, Zoe [1 ]
机构
[1] Univ Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LPSC,IN2P3, F-38000 Grenoble, France
[2] Univ Paris Saclay, IN2P3, CNRS, Lab Phys 2 Infinis Irene Joliot Curie, Orsay, France
[3] Univ Wisconsin, Dept Phys, 1150 Univ Ave, Madison, WI 53706 USA
[4] WIPAC, Madison, WI USA
关键词
RADIATION; EMISSION; CONSTRAINTS; ANISOTROPY; DETECTOR;
D O I
10.3847/1538-4357/ac5cbe
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
An estimate of the expected photon flux above 10(17) eV from the interactions of ultra-high-energy cosmic rays with the matter in the Galactic disk is presented. Uncertainties arising from the distribution of the gas in the disk, the absolute level of the cosmic-ray flux, and the composition of the cosmic rays are taken into account. Within these uncertainties, the integrated photon flux above 10(17) eV is averaged out over Galactic latitude less than 5 degrees, between similar or equal to 3.2 x 10(-2) km(-2) yr(-1) sr(-1) and similar or equal to 8.7 x 10(-2) km(-2) yr(-1) sr(-1). The all-sky average value amounts to similar or equal to 1.1 x10(-2) km(-2) yr(-1) sr(-1) above 10(17) eV and decreases roughly as E (-2), making this diffuse flux the dominant one from cosmic-ray interactions for energy thresholds between 10(17) and 10(18) eV. Compared to the current sensitivities of detection techniques, a gain of between two and three orders of magnitude in exposure is required for a detection below similar or equal to 10(18) eV. The implications for searches for photon fluxes from the Galactic center that would be indicative of the decay of super-heavy dark matter particles are discussed, as the photon flux presented in this study can be considered as a floor below which other signals would be overwhelmed.
引用
收藏
页数:8
相关论文
共 75 条
[1]   The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albert, J. N. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Argiro, S. ;
Arisaka, K. ;
Arneodo, F. ;
Arqueros, F. ;
Asch, T. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Balzer, M. ;
Barber, K. B. ;
Barbosa, A. ;
Barenthien, N. ;
Barkhausen, M. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bertaina, M. E. ;
Biermann, P. L. ;
Bilhaut, R. ;
Billoir, P. .
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2015, 798 :172-213
[2]   Features of the Energy Spectrum of Cosmic Rays above 2.5 x 1018 eV Using the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Ferreira, P. R. Araujo ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Bakalova, A. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Luz, R. J. Barreira ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Bister, T. ;
Biteau, J. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Arbeletche, L. Bonneau ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (12)
[3]   Cosmic-Ray Anisotropies in Right Ascension Measured by the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Ferreira, P. R. Araujo ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Bakalova, A. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Bister, T. ;
Biteau, J. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonneau Arbeletche, L. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2020, 891 (02)
[4]   Combined fit of spectrum and composition data as measured by the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2017, (04)
[5]   Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory. II. Composition implications [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertania, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blaess, S. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. .
PHYSICAL REVIEW D, 2014, 90 (12)
[6]  
Aab A., 2021, EUR PHYS J C, V81, P966
[7]   Cosmic ray spectrum and composition from PeV to EeV using 3 years of data from IceTop and IceCube [J].
Aartsen, M. G. ;
Ackermann, M. ;
Adams, J. ;
Aguilar, J. A. ;
Ahlers, M. ;
Ahrens, M. ;
Alispach, C. ;
Andeen, K. ;
Anderson, T. ;
Ansseau, I ;
Anton, G. ;
Arguelles, C. ;
Auffenberg, J. ;
Axani, S. ;
Backes, P. ;
Bagherpour, H. ;
Bai, X. ;
Barbano, A. ;
Barwick, S. W. ;
Baum, V ;
Baur, S. ;
Bay, R. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K-H ;
Tjus, J. Becker ;
BenZvi, S. ;
Berley, D. ;
Bernardini, E. ;
Besson, D. Z. ;
Binder, G. ;
Bindig, D. ;
Blaufuss, E. ;
Blot, S. ;
Bohm, C. ;
Boerner, M. ;
Boeser, S. ;
Botner, O. ;
Boettcher, J. ;
Bourbeau, E. ;
Bourbeau, J. ;
Bradascio, F. ;
Braun, J. ;
Bretz, H-P ;
Bron, S. ;
Brostean-Kaiser, J. ;
Burgman, A. ;
Buscher, J. ;
Busse, R. S. ;
Carver, T. ;
Chen, C. .
PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)
[8]   Constraints on the diffuse photon flux with energies above 1018 eV using the surface detector of the Telescope Array experiment [J].
Abbasi, R. U. ;
Abe, M. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Allen, M. ;
Azuma, R. ;
Barcikowski, E. ;
Belz, J. W. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Cady, R. ;
Cheon, B. G. ;
Chiba, J. ;
Chikawa, M. ;
di Matteo, A. ;
Fujii, T. ;
Fujita, K. ;
Fukushima, M. ;
Furlich, G. ;
Goto, T. ;
Hanlon, W. ;
Hayashi, M. ;
Hayashi, Y. ;
Hayashida, N. ;
Hibino, K. ;
Honda, K. ;
Ikeda, D. ;
Inoue, N. ;
Ishii, T. ;
Ishimori, R. ;
Ito, H. ;
Ivanov, D. ;
Jeong, H. M. ;
Jeong, S. ;
Jui, C. C. H. ;
Kadota, K. ;
Kakimoto, F. ;
Kalashev, O. ;
Kasahara, K. ;
Kawai, H. ;
Kawakami, S. ;
Kawana, S. ;
Kawata, K. ;
Kido, E. ;
Kim, H. B. ;
Kim, J. H. ;
Kim, J. H. ;
Kishigam, S. ;
Kitamura, S. ;
Kitamura, Y. ;
Kuzmin, V. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2019, 110 :8-14
[9]   The Cosmic Ray Energy Spectrum between 2PeV and 2EeV Observed with the TALE Detector in Monocular Mode [J].
Abbasi, R. U. ;
Abe, M. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Allen, M. ;
Azuma, R. ;
Barcikowski, E. ;
Belz, J. W. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Cady, R. ;
Cheon, B. G. ;
Chiba, J. ;
Chikawa, M. ;
Di Matteo, A. ;
Fujii, T. ;
Fujita, K. ;
Fukushima, M. ;
Furlich, G. ;
Goto, T. ;
Hanlon, W. ;
Hayashi, M. ;
Hayashi, Y. ;
Hayashida, N. ;
Hibino, K. ;
Honda, K. ;
Ikeda, D. ;
Inoue, N. ;
Ishii, T. ;
Ishimori, R. ;
Ito, H. ;
Ivanov, D. ;
Jeong, H. M. ;
Jeong, S. M. ;
Jui, C. C. H. ;
Kadota, K. ;
Kakimoto, F. ;
Kalashev, O. ;
Kasahara, K. ;
Kawai, H. ;
Kawakami, S. ;
Kawana, S. ;
Kawata, K. ;
Kido, E. ;
Kim, H. B. ;
Kim, J. H. ;
Kim, J. H. ;
Kishigami, S. ;
Kitamura, S. ;
Kitamura, Y. ;
Kuzmin, V. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2018, 865 (01)
[10]   The surface detector array of the Telescope Array experiment [J].
Abu-Zayyad, T. ;
Aida, R. ;
Allen, M. ;
Anderson, R. ;
Azuma, R. ;
Barcikowski, E. ;
Belz, J. W. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Cady, R. ;
Cheon, B. G. ;
Chiba, J. ;
Chikawa, M. ;
Cho, E. J. ;
Cho, W. R. ;
Fujii, H. ;
Fujii, T. ;
Fukuda, T. ;
Fukushima, M. ;
Gorbunov, D. ;
Hanlon, W. ;
Hayashi, K. ;
Hayashi, Y. ;
Hayashida, N. ;
Hibino, K. ;
Hiyama, K. ;
Honda, K. ;
Iguchi, T. ;
Ikeda, D. ;
Ikuta, K. ;
Inoue, N. ;
Ishii, T. ;
Ishimori, R. ;
Ivanov, D. ;
Iwamoto, S. ;
Jui, C. C. H. ;
Kadota, K. ;
Kakimoto, F. ;
Kalashev, O. ;
Kanbe, T. ;
Kasahara, K. ;
Kawai, H. ;
Kawakami, S. ;
Kawana, S. ;
Kido, E. ;
Kim, H. B. ;
Kim, H. K. ;
Kim, J. H. ;
Kim, J. H. ;
Kitamoto, K. .
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2012, 689 :87-97