Thesis:

Study of gamma ray signals from primordial black hole evaporation

In this work, we study the photon spectrum produced by the Hawking radiation from a primordial black hole (PBH). We focus on the last stages before full evaporation. The spectrum is estimated using the black body approach and Hawking’s emission formula. The connection between both descriptions is discussed. Furthermore, through analytical approximations for the greybody factors at the high and low energy limits, we time-integrate the primary spectrum along the PBH lifetime. As a result, we obtain a correction to the primary photon time-integrated spectrum commonly used in the literature. In addition, due to the BH emission of free quarks, we estimate, under rough approximations, the pion production from quark hadronization. As a consequence, a secondary photon spectrum is obtained through π0 → γγ decay. These calculations for the spectral emission are compared with spectra obtained with simulations using BlackHawk. Based on the previous analysis, we estimate the number of photons per km2, within a certain detection energy interval, and during a fixed observation time, that eventually reach the Earth’s atmosphere. Finally, with the help of Corsika, we run simulations of very high energy gamma rays to study the basic features of the electromagnetic showers that are produced in the atmosphere.

En este trabajo, estudiamos el espectro de fotones producido por la radiación de Hawking de un agujero negro primordial (PBH, por sus siglas en inglés). Nos centramos en las últimas etapas previas a su evaporación completa. El espectro se estima utilizando la aproximación de cuerpo negro y la fórmula de emisión de Hawking; asimismo, se analiza la relación entre ambas descripciones. Además, mediante aproximaciones analíticas para los factores de «cuerpo gris» (greybody factors) en los límites de alta y baja energía, realizamos una integración temporal del espectro primario a lo largo del tiempo de vida del PBH. Como resultado, obtenemos una corrección al espectro primario de fotones integrado en el tiempo, el cual es utilizado habitualmente en la literatura científica. Por otra parte, considerando la emisión de quarks libres por parte del agujero negro, estimamos —bajo aproximaciones simplificadas— la producción de piones a partir de la hadronización de dichos quarks. En consecuencia, se obtiene un espectro secundario de fotones mediante el decaimiento $\pi^0 \to \gamma\gamma$. Estos cálculos de la emisión espectral se comparan con espectros obtenidos mediante simulaciones realizadas con el programa BlackHawk. Basándonos en el análisis anterior, estimamos el número de fotones que llegan a la atmósfera terrestre por km², dentro de un determinado intervalo de energía de detección y durante un tiempo de observación fijo. Finalmente, empleando el código Corsika, llevamos a cabo simulaciones de rayos gamma de muy alta energía para estudiar las características fundamentales de las cascadas electromagnéticas que se producen en la atmósfera.