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 ≳108 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 nonperturbative solutions to Yang-Mills equations, can give rise to decay channels otherwise forbidden and transform stable particles into metastable ones. Assuming such instanton-induced decay processes, we derive a bound on the reduced coupling constant of gauge interactions in the dark sector: αX0.09, for 109 MX/GeV<1019. Conversely, we obtain that, for instance, a reduced coupling constant αX=0.09 excludes masses MX 3×1013 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 MX and αX, the Hubble rate at the end of inflation, the reheating efficiency, and the nonminimal coupling of the Higgs with curvature.
Original language | English (US) |
---|---|
Article number | 042002 |
Journal | Physical Review D |
Volume | 107 |
Issue number | 4 |
DOIs | |
State | Published - Feb 15 2023 |
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- Nuclear and High Energy Physics
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Dive into the research topics of 'Cosmological implications of photon-flux upper limits at ultrahigh energies in scenarios of Planckian-interacting massive particles for dark matter'. Together they form a unique fingerprint.Cite this
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In: Physical Review D, Vol. 107, No. 4, 042002, 15.02.2023.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review
TY - JOUR
T1 - Cosmological implications of photon-flux upper limits at ultrahigh energies in scenarios of Planckian-interacting massive particles for dark matter
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N1 - Publisher Copyright: © 2023 American Physical Society.
PY - 2023/2/15
Y1 - 2023/2/15
N2 - 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 ≳108 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 nonperturbative solutions to Yang-Mills equations, can give rise to decay channels otherwise forbidden and transform stable particles into metastable ones. Assuming such instanton-induced decay processes, we derive a bound on the reduced coupling constant of gauge interactions in the dark sector: αX0.09, for 109 MX/GeV<1019. Conversely, we obtain that, for instance, a reduced coupling constant αX=0.09 excludes masses MX 3×1013 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 MX and αX, the Hubble rate at the end of inflation, the reheating efficiency, and the nonminimal coupling of the Higgs with curvature.
AB - 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 ≳108 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 nonperturbative solutions to Yang-Mills equations, can give rise to decay channels otherwise forbidden and transform stable particles into metastable ones. Assuming such instanton-induced decay processes, we derive a bound on the reduced coupling constant of gauge interactions in the dark sector: αX0.09, for 109 MX/GeV<1019. Conversely, we obtain that, for instance, a reduced coupling constant αX=0.09 excludes masses MX 3×1013 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 MX and αX, the Hubble rate at the end of inflation, the reheating efficiency, and the nonminimal coupling of the Higgs with curvature.
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85148999693&partnerID=8YFLogxK
UR - http://www.scopus.com/inward/citedby.url?scp=85148999693&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.1103/PhysRevD.107.042002
DO - 10.1103/PhysRevD.107.042002
M3 - Article
AN - SCOPUS:85148999693
SN - 2470-0010
VL - 107
JO - Physical Review D
JF - Physical Review D
IS - 4
M1 - 042002
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