학술논문
Constraints on metastable superheavy dark matter coupled to sterile neutrinos with the Pierre Auger Observatory
Document Type
Working Paper
Author
The Pierre Auger Collaboration; Halim, A. Abdul; Abreu, P.; Aglietta, M.; Allekotte, I.; Cheminant, K. Almeida; Almela, A.; Aloisio, R.; Alvarez-Muñiz, J.; Yebra, J. Ammerman; Anastasi, G. A.; Anchordoqui, L.; Andrada, B.; Andringa, S.; Apollonio, L.; Aramo, C.; Ferreira, P. R. Araújo; Arnone, E.; Velázquez, J. C. Arteaga; Assis, P.; Avila, G.; Avocone, E.; Bakalova, A.; Barbato, F.; Mocellin, A. Bartz; Bellido, J. A.; Berat, C.; Bertaina, M. E.; Bhatta, G.; Bianciotto, M.; 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.; Brack, J.; Orchera, P. G. Brichetto; Briechle, F. L.; Bueno, A.; Buitink, S.; Buscemi, M.; Büsken, M.; Bwembya, A.; Caballero-Mora, K. S.; Cabana-Freire, S.; Caccianiga, L.; Campuzano, F.; Caruso, R.; Castellina, A.; Catalani, F.; Cataldi, G.; Cazon, L.; Cerda, M.; Cermenati, A.; Chinellato, J. A.; Chudoba, J.; Chytka, L.; Clay, R. W.; Cerutti, A. C. Cobos; Colalillo, R.; Coluccia, M. R.; Conceição, R.; Condorelli, A.; Consolati, G.; Conte, M.; Convenga, F.; Santos, D. Correia dos; Costa, P. J.; Covault, C. E.; Cristinziani, M.; Sanchez, C. S. Cruz; Dasso, S.; Daumiller, K.; Dawson, B. R.; 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 Errico, B. P. de Souza; De Vito, E.; Del Popolo, A.; Deligny, O.; Denner, N.; Deval, L.; di Matteo, A.; Dobre, M.; Dobrigkeit, C.; D'Olivo, J. C.; Mendes, L. M. Domingues; Dorosti, Q.; Anjos, J. C. dos; Anjos, R. C. dos; Ebr, J.; Ellwanger, F.; Emam, M.; Engel, R.; Epicoco, I.; Erdmann, M.; Etchegoyen, A.; Evoli, C.; Falcke, H.; Farrar, G.; Fauth, A. C.; Fazzini, N.; Feldbusch, F.; Fenu, F.; Fernandes, A.; Fick, B.; Figueira, J. M.; Filipčič, A.; Fitoussi, T.; Flaggs, B.; Fodran, T.; Fujii, T.; Fuster, A.; Galea, C.; Galelli, C.; García, B.; Gaudu, C.; Gemmeke, H.; Gesualdi, F.; Gherghel-Lascu, A.; Ghia, P. L.; Giaccari, U.; Glombitza, J.; Gobbi, F.; Gollan, F.; Golup, G.; Berisso, M. Gómez; Vitale, P. F. Gómez; Gongora, J. P.; González, J. M.; González, N.; Góra, D.; Gorgi, A.; Gottowik, M.; Grubb, T. D.; Guarino, F.; Guedes, G. P.; Guido, E.; Gülzow, L.; Hahn, S.; Hamal, P.; Hampel, M. R.; Hansen, P.; Harari, D.; Harvey, V. M.; Haungs, A.; Hebbeker, T.; Hojvat, C.; Hörandel, J. R.; Horvath, P.; Hrabovský, M.; Huege, T.; Insolia, A.; Isar, P. G.; Janecek, P.; Jilek, V.; Johnsen, J. A.; Jurysek, J.; Kampert, K. -H.; Keilhauer, B.; Khakurdikar, A.; Covilakam, V. V. Kizakke; Klages, H. O.; Kleifges, M.; Knapp, F.; Köhler, J.; Kunka, N.; Lago, B. L.; Langner, N.; de Oliveira, M. A. Leigui; Lema-Capeans, Y.; Letessier-Selvon, A.; Lhenry-Yvon, I.; Lopes, L.; Lu, L.; Luce, Q.; Lundquist, J. P.; Payeras, A. Machado; Majercakova, M.; Mandat, D.; Manning, B. C.; Mantsch, P.; Mariani, F. M.; Mariazzi, A. G.; Mariş, I. C.; Marsella, G.; Martello, D.; Martinelli, S.; Bravo, O. Martínez; Martins, M. A.; Mathes, H. -J.; Matthews, J.; Matthiae, G.; Mayotte, E.; Mayotte, S.; Mazur, P. O.; Medina-Tanco, G.; Meinert, J.; Melo, D.; Menshikov, A.; Merx, C.; Michal, S.; Micheletti, M. I.; Miramonti, L.; Mollerach, S.; Montanet, F.; Morejon, L.; Morello, C.; Mulrey, K.; Mussa, R.; Namasaka, W. M.; Negi, S.; Nellen, L.; Nguyen, K.; Nicora, G.; Niechciol, M.; Nitz, D.; Nosek, D.; Novotny, V.; Nožka, L.; Nucita, A.; Núñez, L. A.; Oliveira, C.; Palatka, M.; Pallotta, J.; Panja, S.; Parente, G.; Paulsen, T.; Pawlowsky, J.; Pech, M.; Pękala, J.; Pelayo, R.; Pereira, L. A. S.; Martins, E. E. Pereira; Armand, J. Perez; Bertolli, C. Pérez; Perrone, L.; Petrera, S.; Petrucci, C.; Pierog, T.; Pimenta, M.; Platino, M.; Pont, B.; Pothast, M.; Shahvar, M. Pourmohammad; Privitera, P.; Prouza, M.; Querchfeld, S.; Rautenberg, J.; Ravignani, D.; Akim, J. V. Reginatto; Reininghaus, M.; Ridky, J.; Riehn, F.; Risse, M.; Rizi, V.; de Carvalho, W. Rodrigues; Rodriguez, E.; 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.; Sato, R.; Savina, P.; Schäfer, C. M.; Scherini, V.; Schieler, H.; Schimassek, M.; Schimp, M.; Schmidt, D.; Scholten, O.; Schoorlemmer, H.; Schovánek, P.; Schröder, F. G.; Schulte, J.; Schulz, T.; Sciutto, S. J.; Scornavacche, M.; Sedoski, A.; Segreto, A.; Sehgal, S.; Shivashankara, S. U.; Sigl, G.; Silli, G.; Sima, O.; Simkova, K.; Simon, F.; Smau, R.; Šmída, R.; Sommers, P.; Soriano, J. F.; Squartini, R.; Stadelmaier, M.; Stanič, S.; Stasielak, J.; Stassi, P.; Strähnz, S.; Straub, M.; Suomijärvi, T.; Supanitsky, A. D.; Svozilikova, Z.; Szadkowski, Z.; Tairli, F.; 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.; 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.; Watanabe, C.; Watson, A. A.; Weindl, A.; Wiencke, L.; Wilczyński, H.; Wittkowski, D.; Wundheiler, B.; Yue, B.; Yushkov, A.; Zapparrata, O.; Zas, E.; Zavrtanik, D.; Zavrtanik, M.
Source
Phys. Rev. D 109 L081101 (2024)
Subject
Language
Abstract
Dark matter particles could be superheavy, provided their lifetime is much longer than the age of the universe. Using the sensitivity of the Pierre Auger Observatory to ultra-high energy neutrinos and photons, we constrain a specific extension of the Standard Model of particle physics that meets the lifetime requirement for a superheavy particle by coupling it to a sector of ultra-light sterile neutrinos. Our results show that, for a typical dark coupling constant of 0.1, the mixing angle $\theta_m$ between active and sterile neutrinos must satisfy, roughly, $\theta_m \lesssim 1.5\times 10^{-6}(M_X/10^9~\mathrm{GeV})^{-2}$ for a mass $M_X$ of the dark-matter particle between $10^8$ and $10^{11}~$GeV.
Comment: Version accepted for publication in PRD Letters, including Supplemental Material
Comment: Version accepted for publication in PRD Letters, including Supplemental Material