Back to Search Start Over

Cosmological implications of photon-flux upper limits at ultra-high energies in scenarios of Planckian-interacting massive particles for dark matter

Authors :
The Pierre Auger Collaboration
Abreu, P.
Aglietta, M.
Albury, J. M.
Allekotte, I.
Cheminant, K. Almeida
Almela, A.
Alvarez-Muñiz, J.
Batista, R. Alves
Yebra, J. Ammerman
Anastasi, G. A.
Anchordoqui, L.
Andrada, B.
Andringa, S.
Aramo, C.
Ferreira, P. R. Araújo
Arnone, E.
Velázquez, J. C. Arteaga
Asorey, H.
Assis, P.
Avila, G.
Avocone, E.
Badescu, A. M.
Bakalova, A.
Balaceanu, A.
Barbato, F.
Bellido, J. A.
Berat, C.
Bertaina, M. E.
Bhatta, G.
Biermann, P. L.
Binet, V.
Bismark, K.
Bister, T.
Biteau, J.
Blazek, J.
Bleve, C.
Blümer, J.
Boháčová, M.
Boncioli, D.
Bonifazi, C.
Arbeletche, L. Bonneau
Borodai, N.
Botti, A. M.
Brack, J.
Bretz, T.
Orchera, P. G. Brichetto
Briechle, F. L.
Buchholz, P.
Bueno, A.
Buitink, S.
Buscemi, M.
Büsken, M.
Caballero-Mora, K. S.
Caccianiga, L.
Canfora, F.
Caracas, I.
Caruso, R.
Castellina, A.
Catalani, F.
Cataldi, G.
Cazon, L.
Cerda, M.
Chinellato, J. A.
Chudoba, J.
Chytka, L.
Clay, R. W.
Cerutti, A. C. Cobos
Colalillo, R.
Coleman, A.
Coluccia, M. R.
Conceição, R.
Condorelli, A.
Consolati, G.
Contreras, F.
Convenga, F.
Santos, D. Correia dos
Covault, C. E.
Dasso, S.
Daumiller, K.
Dawson, B. R.
Day, J. A.
de Almeida, R. M.
de Jesús, J.
de Jong, S. J.
Neto, J. R. T. de Mello
De Mitri, I.
de Oliveira, J.
Franco, D. de Oliveira
de Palma, F.
de Souza, V.
De Vito, E.
Del Popolo, A.
del Río, M.
Deligny, O.
Deval, L.
di Matteo, A.
Dobre, M.
Dobrigkeit, C.
D'Olivo, J. C.
Mendes, L. M. Domingues
Anjos, R. C. dos
Dova, M. T.
Ebr, J.
Engel, R.
Epicoco, I.
Erdmann, M.
Escobar, C. O.
Etchegoyen, A.
Falcke, H.
Farmer, J.
Farrar, G.
Fauth, A. C.
Fazzini, N.
Feldbusch, F.
Fenu, F.
Fick, B.
Figueira, J. M.
Filipčič, A.
Fitoussi, T.
Fodran, T.
Fujii, T.
Fuster, A.
Galea, C.
Galelli, C.
García, B.
Vegas, A. L. Garcia
Gemmeke, H.
Gesualdi, F.
Gherghel-Lascu, A.
Ghia, P. L.
Giaccari, U.
Giammarchi, M.
Glombitza, J.
Gobbi, F.
Gollan, F.
Golup, G.
Berisso, M. Gómez
Vitale, P. F. Gómez
Gongora, J. P.
González, J. M.
González, N.
Goos, I.
Góra, D.
Gorgi, A.
Gottowik, M.
Grubb, T. D.
Guarino, F.
Guedes, G. P.
Guido, E.
Hahn, S.
Hamal, P.
Hampel, M. R.
Hansen, P.
Harari, D.
Harvey, V. M.
Haungs, A.
Hebbeker, T.
Heck, D.
Hill, G. C.
Hojvat, C.
Hörandel, J. R.
Horvath, P.
Hrabovský, M.
Huege, T.
Insolia, A.
Isar, P. G.
Janecek, P.
Johnsen, J. A.
Jurysek, J.
Kääpä, A.
Kampert, K. H.
Keilhauer, B.
Khakurdikar, A.
Covilakam, V. V. Kizakke
Klages, H. O.
Kleifges, M.
Kleinfeller, J.
Knapp, F.
Kunka, N.
Lago, B. L.
Langner, N.
de Oliveira, M. A. Leigui
Lenok, V.
Letessier-Selvon, A.
Lhenry-Yvon, I.
Presti, D. Lo
Lopes, L.
López, R.
Lu, L.
Luce, Q.
Lundquist, J. P.
Payeras, A. Machado
Mancarella, G.
Mandat, D.
Manning, B. C.
Manshanden, J.
Mantsch, P.
Marafico, S.
Mariani, F. M.
Mariazzi, A. G.
Mariş, I. C.
Marsella, G.
Martello, D.
Martinelli, S.
Bravo, O. Martínez
Mastrodicasa, M.
Mathes, H. J.
Matthews, J.
Matthiae, G.
Mayotte, E.
Mayotte, S.
Mazur, P. O.
Medina-Tanco, G.
Melo, D.
Menshikov, A.
Michal, S.
Micheletti, M. I.
Miramonti, L.
Mollerach, S.
Montanet, F.
Morejon, L.
Morello, C.
Mostafá, M.
Müller, A. L.
Muller, M. A.
Mulrey, K.
Mussa, R.
Muzio, M.
Namasaka, W. M.
Nasr-Esfahani, A.
Nellen, L.
Nicora, G.
Niculescu-Oglinzanu, M.
Niechciol, M.
Nitz, D.
Norwood, I.
Nosek, D.
Novotny, V.
Nožka, L.
Nucita, A
Núñez, L. A.
Oliveira, C.
Palatka, M.
Pallotta, J.
Papenbreer, P.
Parente, G.
Parra, A.
Pawlowsky, J.
Pech, M.
Pękala, J.
Pelayo, R.
Peña-Rodriguez, J.
Martins, E. E. Pereira
Armand, J. Perez
Bertolli, C. Pérez
Perrone, L.
Petrera, S.
Petrucci, C.
Pierog, T.
Pimenta, M.
Pirronello, V.
Platino, M.
Pont, B.
Pothast, M.
Privitera, P.
Prouza, M.
Puyleart, A.
Querchfeld, S.
Rautenberg, J.
Ravignani, D.
Reininghaus, M.
Ridky, J.
Riehn, F.
Risse, M.
Rizi, V.
de Carvalho, W. Rodrigues
Rojo, J. Rodriguez
Roncoroni, M. J.
Rossoni, S.
Roth, M.
Roulet, E.
Rovero, A. C.
Ruehl, P.
Saftoiu, A.
Saharan, M.
Salamida, F.
Salazar, H.
Salina, G.
Gomez, J. D. Sanabria
Sánchez, F.
Santos, E. M.
Santos, E.
Sarazin, F.
Sarmento, R.
Sarmiento-Cano, C.
Sato, R.
Savina, P.
Schäfer, C. M.
Scherini, V.
Schieler, H.
Schimassek, M.
Schimp, M.
Schlüter, F.
Schmidt, D.
Scholten, O.
Schoorlemmer, H.
Schovánek, P.
Schröder, F. G.
Schulte, J.
Schulz, T.
Sciutto, S. J.
Scornavacche, M.
Segreto, A.
Sehgal, S.
Shellard, R. C.
Sigl, G.
Silli, G.
Sima, O.
Smau, R.
Šmída, R.
Sommers, P.
Soriano, J. F.
Squartini, R.
Stadelmaier, M.
Stanca, D.
Stanič, S.
Stasielak, J.
Stassi, P.
Streich, A.
Suárez-Durán, M.
Sudholz, T.
Suomijärvi, T.
Supanitsky, A. D.
Szadkowski, Z.
Tapia, A.
Taricco, C.
Timmermans, C.
Tkachenko, O.
Tobiska, P.
Peixoto, C. J. Todero
Tomé, B.
Torrès, Z.
Travaini, A.
Travnicek, P.
Trimarelli, C.
Tueros, M.
Ulrich, R.
Unger, M.
Vaclavek, L.
Vacula, M.
Galicia, J. F. Valdés
Valore, L.
Varela, E.
Vásquez-Ramírez, A.
Veberič, D.
Ventura, C.
Quispe, I. D. Vergara
Verzi, V.
Vicha, J.
Vink, J.
Vorobiov, S.
Wahlberg, H.
Watanabe, C.
Watson, A. A.
Weindl, A.
Wiencke, L.
Wilczyński, H.
Wittkowski, D.
Wundheiler, B.
Yushkov, A.
Zapparrata, O.
Zas, E.
Zavrtanik, D.
Zavrtanik, M.
Zehrer, L.
Aloisio, R.
Source :
Phys.Rev.D 107 (2023) 4, 042002
Publication Year :
2022

Abstract

Using the data of the Pierre Auger Observatory, we report on a search for signatures that would be suggestive of super-heavy particles decaying in the Galactic halo. From the lack of signal, we present upper limits for different energy thresholds above ${\gtrsim}10^8$\,GeV on the secondary by-product fluxes expected from the decay of the particles. Assuming that the energy density of these super-heavy particles matches that of dark matter observed today, we translate the upper bounds on the particle fluxes into tight constraints on the couplings governing the decay process as a function of the particle mass. Instantons, which are non-perturbative solutions to Yang-Mills equations, can give rise to decay channels otherwise forbidden and transform stable particles into meta-stable ones. Assuming such instanton-induced decay processes, we derive a bound on the reduced coupling constant of gauge interactions in the dark sector: $\alpha_X \lesssim 0.09$, for $10^{9} \lesssim M_X/\text{GeV} < 10^{19}$. Conversely, we obtain that, for instance, a reduced coupling constant $\alpha_X = 0.09$ excludes masses $M_X \gtrsim 3\times 10^{13}~$GeV. In the context of dark matter production from gravitational interactions alone during the reheating epoch, we derive constraints on the parameter space that involves, in addition to $M_X$ and $\alpha_X$, the Hubble rate at the end of inflation, the reheating efficiency, and the non-minimal coupling of the Higgs with curvature.<br />Comment: 15 pages, 8 figures, Accompanying paper of arXiv:2203.08854, accepted for publication in Phys. Rev. D

Details

Database :
arXiv
Journal :
Phys.Rev.D 107 (2023) 4, 042002
Publication Type :
Report
Accession number :
edsarx.2208.02353
Document Type :
Working Paper