Search for Gamma-Ray Emission from Local Primordial Black Holes with the Fermi Large Area Telescope

M. Ackermann; W.B. Atwood; L. Baldini; J. Ballet; G. Barbiellini; D. Bastieri; R. Bellazzini; B. Berenji; E. Bissaldi; R.D. Blandford; E.D. Bloom; R. Bonino; E. Bottacini; J. Bregeon; P. Bruel; R. Buehler; R.A. Cameron; R. Caputo; P.A. Caraveo; E. Cavazzuti; E. Charles; A. Chekhtman; C.C. Cheung; G. Chiaro; S. Ciprini; Johann Cohen-Tanugi; J. Conrad; D. Costantin; F. d'Ammando; F. de Palma; S.W. Digel; N. Di Lalla; M. Di Mauro; L. Di Venere; C. Favuzzi; S.J. Fegan; W.B. Focke; A. Franckowiak; Y. Fukazawa; S. Funk; P. Fusco; F. Gargano; D. Gasparrini; N. Giglietto; F. Giordano; M. Giroletti; D. Green; I.A. Grenier; L. Guillemot; S. Guiriec; D. Horan; G. Johannesson; C. Johnson; S. Kensei; D. Kocevski; M. Kuss; S. Larsson; L. Latronico; J. Li; F. Longo; F. Loparco; M.N. Lovellette; P. Lubrano; J.D. Magill; S. Maldera; D. Malyshev; A. Manfreda; M.N. Mazziotta; J.E. Mcenery; M. Meyer; P.F. Michelson; W. Mitthumsiri; T. Mizuno; M.E. Monzani; E. Moretti; A. Morselli; I.V. Moskalenko; M. Negro; E. Nuss; R. Ojha; N. Omodei; M. Orienti; E. Orlando; J.F. Ormes; M. Palatiello; V.S. Paliya; D. Paneque; M. Persic; M. Pesce-Rollins; F. Piron; G. Principe; S. Raino; R. Rando; M. Razzano; S. Razzaque; A. Reimer; O. Reimer; S. Ritz; M. Sanchez-Conde; C. Sgro; E.J. Siskind; F. Spada; G. Spandre; P. Spinelli; D.J. Suson; H. Tajima; J.G. Thayer; J.B. Thayer; D.F. Torres; G. Tosti; E. Troja; J. Valverde; G. Vianello; K. Wood; M. Wood; G. Zaharijas

doi:10.3847/1538-4357/aaac7b

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Search for Gamma-Ray Emission from Local Primordial Black Holes with the Fermi Large Area Telescope

Journal article

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Peer reviewed

Search for Gamma-Ray Emission from Local Primordial Black Holes with the Fermi Large Area Telescope

M. Ackermann, W.B. Atwood, L. Baldini, J. Ballet, G. Barbiellini, D. Bastieri, R. Bellazzini, B. Berenji, E. Bissaldi, R.D. Blandford, …

The Astrophysical Journal, Vol.857(1)

2018

DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aaac7b

Abstract

astroparticle physics

black hole physics

methods: data analysis

gamma ray: emission

black hole: primordial

evaporation

GLAST

confidence limit

observatory

temperature

lifetime

galaxy

burst

Black holes with masses below approximately 1015 g are expected to emit gamma-rays with energies above a few tens of MeV, which can be detected by the Fermi Large Area Telescope (LAT). Although black holes with these masses cannot be formed as a result of stellar evolution, they may have formed in the early universe and are therefore called primordial black holes (PBHs). Previous searches for PBHs have focused on either short-timescale bursts or the contribution of PBHs to the isotropic gamma-ray emission. We show that, in cases of individual PBHs, the Fermi-LAT is most sensitive to PBHs with temperatures above approximately 16 GeV and masses 6 × 1011 g, which it can detect out to a distance of about 0.03 pc. These PBHs have a remaining lifetime of months to years at the start of the Fermi mission. They would appear as potentially moving point sources with gamma-ray emission that become spectrally harder and brighter with time until the PBH completely evaporates. In this paper, we develop a new algorithm to detect the proper motion of gamma-ray point sources, and apply it to 318 unassociated point sources at a high galactic latitude in the third Fermi-LAT source catalog. None of the unassociated point sources with spectra consistent with PBH evaporation show significant proper motion. Using the nondetection of PBH candidates, we derive a 99% confidence limit on the PBH evaporation rate in the vicinity of Earth, . This limit is similar to the limits obtained with ground-based gamma-ray observatories.

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Details

Title: Search for Gamma-Ray Emission from Local Primordial Black Holes with the Fermi Large Area Telescope
Creators - without role: M. Ackermann - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
W.B. Atwood - University of California, Santa Cruz
L. Baldini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
J. Ballet - CEA Paris-Saclay
G. Barbiellini - University of Trieste
D. Bastieri - University of Padua
R. Bellazzini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
B. Berenji - California State University Los Angeles
E. Bissaldi - Polytechnic University of Bari
R.D. Blandford - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
E.D. Bloom - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
R. Bonino - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
E. Bottacini - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
J. Bregeon - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
P. Bruel - Laboratoire Leprince-Ringuet
R. Buehler - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
R.A. Cameron - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
R. Caputo - Goddard Space Flight Center
P.A. Caraveo - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano
E. Cavazzuti - Agenzia Spaziale Italiana
E. Charles - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
A. Chekhtman - George Mason University
C.C. Cheung - United States Naval Research Laboratory
G. Chiaro - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano
S. Ciprini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Johann Cohen-Tanugi - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
J. Conrad - Stockholm University
D. Costantin - University of Padua
F. d'Ammando
F. de Palma - Pegaso University
S.W. Digel - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
N. Di Lalla - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
M. Di Mauro - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
L. Di Venere - Polytechnic University of Bari
C. Favuzzi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
S.J. Fegan - Laboratoire Leprince-Ringuet
W.B. Focke - SLAC National Accelerator Laboratory
A. Franckowiak - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Y. Fukazawa - Hiroshima University
S. Funk - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
P. Fusco - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
F. Gargano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
D. Gasparrini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
N. Giglietto - Polytechnic University of Bari
F. Giordano - Polytechnic University of Bari
M. Giroletti - Istituto di Radioastronomia di Bologna
D. Green - University of Maryland, College Park
I.A. Grenier - Astrophysique, Instrumentation et Modélisation
L. Guillemot - Centre National de la Recherche Scientifique
S. Guiriec - Goddard Space Flight Center
D. Horan - Laboratoire Leprince-Ringuet
G. Johannesson - University of Iceland
C. Johnson - University of California, Santa Cruz
S. Kensei - Hiroshima University
D. Kocevski - Goddard Space Flight Center
M. Kuss - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
S. Larsson - Fraunhofer Chalmers Research Centre for Industrial Mathematics
L. Latronico - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
J. Li - Institute of Space Sciences
F. Longo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste
F. Loparco - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
M.N. Lovellette - United States Naval Research Laboratory
P. Lubrano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
J.D. Magill - University of Maryland, College Park
S. Maldera - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
D. Malyshev - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Manfreda - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
M.N. Mazziotta - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
J.E. Mcenery - Goddard Space Flight Center
M. Meyer - University of Maryland, College Park
P.F. Michelson - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
W. Mitthumsiri - Mahidol University
T. Mizuno - Hiroshima University
M.E. Monzani - SLAC National Accelerator Laboratory
E. Moretti - Max Planck Institute for Physics
A. Morselli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Roma Tor Vergata
I.V. Moskalenko - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
M. Negro - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
E. Nuss - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
R. Ojha - Goddard Space Flight Center
N. Omodei - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
M. Orienti - Istituto di Radioastronomia di Bologna
E. Orlando - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
J.F. Ormes - University of Denver
M. Palatiello - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste
V.S. Paliya - Clemson University
D. Paneque - Max Planck Institute for Physics
M. Persic - Trieste Astronomical Observatory
M. Pesce-Rollins - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
F. Piron - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
G. Principe - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
S. Raino - Polytechnic University of Bari
R. Rando - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova
M. Razzano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
S. Razzaque - University of Johannesburg
A. Reimer - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
O. Reimer - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
S. Ritz - University of California, Santa Cruz
M. Sanchez-Conde - Universidad Autónoma de Madrid
C. Sgro - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
E.J. Siskind - Real Time Tomography
F. Spada - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
G. Spandre - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
P. Spinelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
D.J. Suson - Purdue University Northwest
H. Tajima - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
J.G. Thayer - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
J.B. Thayer - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
D.F. Torres - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats
G. Tosti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
E. Troja - Goddard Space Flight Center
J. Valverde - Laboratoire Leprince-Ringuet
G. Vianello - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
K. Wood - Praxis
M. Wood - SLAC National Accelerator Laboratory
G. Zaharijas - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste
Publication Details: The Astrophysical Journal, Vol.857(1)
Identifiers: 9933717609311
Academic Unit: Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
Language: English
Resource Type: Journal article
Local Fields: hal-01714165