Abstract
We report on a search for compact binary coalescences where at least one binary component has a mass between 0.2 M⊙ and 1.0 M⊙ in Advanced LIGO and Advanced Virgo data collected between 1 April 2019 1500 UTC and 1 October 2019 1500 UTC. We extend our previous analyses in two main ways: we include data from the Virgo detector and we allow for more unequal mass systems, with mass ratio q ≥ 0.1. We do not report any gravitational-wave candidates. The most significant trigger has a false alarm rate of 0.14 yr-1. This implies an upper limit on the merger rate of subsolar binaries in the range [220-24200] Gpc-3 yr-1, depending on the chirp mass of the binary. We use this upper limit to derive astrophysical constraints on two phenomenological models that could produce subsolar-mass compact objects. One is an isotropic distribution of equal-mass primordial black holes. Using this model, we find that the fraction of dark matter in primordial black holes in the mass range 0.2 M < mPBH < 1.0 M⊙ is fPBH ≡ ΩPBH/ΩDM ≤ 6%. This improves existing constraints on primordial black hole abundance by a factor of ∼3. The other is a dissipative dark matter model, in which fermionic dark matter can collapse and form black holes. The upper limit on the fraction of dark matter black holes depends on the minimum mass of the black holes that can be formed: the most constraining result is obtained at Mmin = 1 M⊙, where fDBH ≡ ΩDBH/ΩDM ≤ 0.003%. These are the first constraints placed on dissipative dark models by subsolar-mass analyses.
| Original language | English |
|---|---|
| Article number | 061104 |
| Journal | Physical Review Letters |
| Volume | 129 |
| Issue number | 6 |
| DOIs | |
| Publication status | Published - 5 Aug 2022 |
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In: Physical Review Letters, Vol. 129, No. 6, 061104, 05.08.2022.
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T1 - Search for subsolar-mass binaries in the first half of Advanced LIGO's and Advanced Virgo's third observing run
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AU - Man, N.
AU - Mandic, V.
AU - Mangano, V.
AU - Mango, J. L.
AU - Mansell, G. L.
AU - Manske, M.
AU - Mantovani, M.
AU - Mapelli, M.
AU - Marchesoni, F.
AU - Marion, F.
AU - Mark, Z.
AU - Márka, S.
AU - Márka, Z.
AU - Markakis, C.
AU - Markosyan, A. S.
AU - Markowitz, A.
AU - Maros, E.
AU - Marquina, A.
AU - Marsat, S.
AU - Martelli, F.
AU - Martin, I. W.
AU - Martin, R. M.
AU - Martinez, M.
AU - Martinez, V. A.
AU - Martinez, V.
AU - Martinovic, K.
AU - Martynov, D. V.
AU - Marx, E. J.
AU - Masalehdan, H.
AU - Mason, K.
AU - Massera, E.
AU - Masserot, A.
AU - Massinger, T. J.
AU - Masso-Reid, M.
AU - Mastrogiovanni, S.
AU - Matas, A.
AU - Mateu-Lucena, M.
AU - Matichard, F.
AU - Matiushechkina, M.
AU - Mavalvala, N.
AU - McCann, J. J.
AU - McCarthy, R.
AU - McClelland, D. E.
AU - McClincy, P. K.
AU - McCormick, S.
AU - McCuller, L.
AU - McGhee, G. I.
AU - McGuire, S. C.
AU - McIsaac, C.
AU - McIver, J.
AU - McRae, T.
AU - McWilliams, S. T.
AU - Meacher, D.
AU - Mehmet, M.
AU - Mehta, A. K.
AU - Meijer, Q.
AU - Melatos, A.
AU - Melchor, D. A.
AU - Mendell, G.
AU - Menendez-Vazquez, A.
AU - Menoni, C. S.
AU - Mercer, R. A.
AU - Mereni, L.
AU - Merfeld, K.
AU - Merilh, E. L.
AU - Merritt, J. D.
AU - Merzougui, M.
AU - Meshkov, S.
AU - Messenger, C.
AU - Messick, C.
AU - Meyers, P. M.
AU - Meylahn, F.
AU - Mhaske, A.
AU - Miani, A.
AU - Miao, H.
AU - Michaloliakos, I.
AU - Michel, C.
AU - Middleton, H.
AU - Milano, L.
AU - Miller, A.
AU - Miller, A. L.
AU - Miller, B.
AU - Millhouse, M.
AU - Mills, J. C.
AU - Milotti, E.
AU - Minazzoli, O.
AU - Minenkov, Y.
AU - Mir, Ll. M.
AU - Miravet-Tenés, M.
AU - Mishra, C.
AU - Mishra, T.
AU - Mistry, T.
AU - Mitra, S.
AU - Mitrofanov, V. P.
AU - Mitselmakher, G.
AU - Mittleman, R.
AU - Mo, Geoffrey
AU - Moguel, E.
AU - Mogushi, K.
AU - Mohapatra, S. R. P.
AU - Mohite, S. R.
AU - Molina, I.
AU - Molina-Ruiz, M.
AU - Mondin, M.
AU - Montani, M.
AU - Moore, C. J.
AU - Moraru, D.
AU - Morawski, F.
AU - More, A.
AU - Moreno, C.
AU - Moreno, G.
AU - Morisaki, S.
AU - Mours, B.
AU - Mow-Lowry, C. M.
AU - Mozzon, S.
AU - Muciaccia, F.
AU - Mukherjee, Arunava
AU - Mukherjee, D.
AU - Mukherjee, Soma
AU - Mukherjee, Subroto
AU - Mukherjee, Suvodip
AU - Mukund, N.
AU - Mullavey, A.
AU - Munch, J.
AU - Muñiz, E. A.
AU - Murray, P. G.
AU - Musenich, R.
AU - Muusse, S.
AU - Nadji, S. L.
AU - Nagar, A.
AU - Napolano, V.
AU - Nardecchia, I.
AU - Naticchioni, L.
AU - Nayak, B.
AU - Nayak, R. K.
AU - Neil, B. F.
AU - Neilson, J.
AU - Nelemans, G.
AU - Nelson, T. J. N.
AU - Nery, M.
AU - Neubauer, P.
AU - Neunzert, A.
AU - Ng, K. Y.
AU - Ng, S. W.S.
AU - Nguyen, C.
AU - Nguyen, P.
AU - Nguyen, T.
AU - Nichols, S. A.
AU - Nissanke, S.
AU - Nitoglia, E.
AU - Nocera, Flavio
AU - Norman, M.
AU - North, C.
AU - Nuttall, L. K.
AU - Oberling, J.
AU - O'Brien, B. D.
AU - O'Dell, J.
AU - Oelker, E.
AU - Oganesyan, G.
AU - Oh, J. J.
AU - Oh, S. H.
AU - Ohme, F.
AU - Ohta, H.
AU - Okada, M. A.
AU - Olivetto, C.
AU - Oram, R.
AU - O'Reilly, B.
AU - Ormiston, R. G.
AU - Ormsby, N. D.
AU - Ortega, L. F.
AU - O'Shaughnessy, R.
AU - O'Shea, E.
AU - Ossokine, S.
AU - Osthelder, C.
AU - Ottaway, D. J.
AU - Overmier, H.
AU - Pace, A. E.
AU - Pagano, G.
AU - Page, M. A.
AU - Pagliaroli, G.
AU - Pai, A.
AU - Pai, S. A.
AU - Palamos, J. R.
AU - Palashov, O.
AU - Palomba, C.
AU - Pan, H.
AU - Panda, P. K.
AU - Pang, P. T. H.
AU - Pankow, C.
AU - Pannarale, F.
AU - Pant, B. C.
AU - Panther, F. H.
AU - Paoletti, F.
AU - Paoli, A.
AU - Paolone, A.
AU - Park, H.
AU - Parker, W.
AU - Pascucci, D.
AU - Pasqualetti, A.
AU - Passaquieti, R.
AU - Passuello, D.
AU - Patel, M.
AU - Pathak, M.
AU - Patricelli, B.
AU - Patron, A. S.
AU - Paul, S.
AU - Payne, E.
AU - Pedraza, M.
AU - Pegoraro, M.
AU - Pele, A.
AU - Penn, S.
AU - Perego, A.
AU - Pereira, A.
AU - Pereira, T.
AU - Perez, C. J.
AU - Périgois, C.
AU - Perkins, C. C.
AU - Perreca, A.
AU - Perriès, S.
AU - Petermann, J.
AU - Petterson, D.
AU - Pfeiffer, H. P.
AU - Pham, K. A.
AU - Phukon, K. S.
AU - Piccinni, O. J.
AU - Pichot, M.
AU - Piendibene, M.
AU - Piergiovanni, F.
AU - Pierini, L.
AU - Pierro, V.
AU - Pillant, G.
AU - Pillas, M.
AU - Pilo, F.
AU - Pinard, L.
AU - Pinto, I. M.
AU - Pinto, M.
AU - Piotrzkowski, K.
AU - Pirello, M.
AU - Pitkin, M. D.
AU - Placidi, E.
AU - Planas, L.
AU - Plastino, W.
AU - Pluchar, C.
AU - Poggiani, R.
AU - Polini, E.
AU - Pong, D. Y. T.
AU - Ponrathnam, S.
AU - Popolizio, P.
AU - Porter, E. K.
AU - Poulton, R.
AU - Powell, J.
AU - Pracchia, M.
AU - Pradier, T.
AU - Prajapati, A. K.
AU - Prasai, K.
AU - Prasanna, R.
AU - Pratten, G.
AU - Principe, M.
AU - Prodi, G. A.
AU - Prokhorov, L.
AU - Prosposito, P.
AU - Prudenzi, L.
AU - Puecher, A.
AU - Punturo, M.
AU - Puosi, F.
AU - Puppo, P.
AU - Pürrer, M.
AU - Qi, H.
AU - Quetschke, V.
AU - Quitzow-James, R.
AU - Raab, F. J.
AU - Raaijmakers, G.
AU - Radkins, H.
AU - Radulesco, N.
AU - Raffai, P.
AU - Rail, S. X.
AU - Raja, S.
AU - Rajan, C.
AU - Ramirez, K. E.
AU - Ramirez, T. D.
AU - Ramos-Buades, A.
AU - Rana, J.
AU - Rapagnani, P.
AU - Rapol, U. D.
AU - Ray, A.
AU - Raymond, V.
AU - Raza, N.
AU - Razzano, M.
AU - Read, J.
AU - Rees, L. A.
AU - Regimbau, T.
AU - Rei, L.
AU - Reid, S.
AU - Reid, S. W.
AU - Reitze, D. H.
AU - Relton, P.
AU - Renzini, A.
AU - Rettegno, P.
AU - Rezac, M.
AU - Ricci, F.
AU - Richards, D.
AU - Richardson, J. W.
AU - Richardson, L.
AU - Riemenschneider, G.
AU - Riles, K.
AU - Rinaldi, S.
AU - Rink, K.
AU - Rizzo, M.
AU - Robertson, N. A.
AU - Robie, R.
AU - Robinet, F.
AU - Rocchi, A.
AU - Rodriguez, S.
AU - Rolland, L.
AU - Rollins, J. G.
AU - Romanelli, M.
AU - Romano, R.
AU - Romel, C. L.
AU - Romero-Rodriguez, A.
AU - Romero-Shaw, I. M.
AU - Romie, J. H.
AU - Ronchini, S.
AU - Rosa, L.
AU - Rose, C. A.
AU - Rosińska, D.
AU - Ross, M. P.
AU - Rowan, S.
AU - Rowlinson, S. J.
AU - Roy, S.
AU - Roy, Santosh
AU - Roy, Soumen
AU - Rozza, D.
AU - Ruggi, P.
AU - Ryan, K.
AU - Sachdev, S.
AU - Sadecki, T.
AU - Sadiq, J.
AU - Sakellariadou, M.
AU - Salafia, O. S.
AU - Salconi, L.
AU - Saleem, M.
AU - Salemi, F.
AU - Samajdar, A.
AU - Sanchez, E. J.
AU - Sanchez, J. H.
AU - Sanchez, L. E.
AU - Sanchis-Gual, N.
AU - Sanders, J. R.
AU - Sanuy, A.
AU - Saravanan, T. R.
AU - Sarin, N.
AU - Sassolas, B.
AU - Satari, H.
AU - Sathyaprakash, B. S.
AU - Sauter, O.
AU - Savage, R. L.
AU - Sawant, D.
AU - Sawant, H. L.
AU - Sayah, S.
AU - Schaetzl, D.
AU - Scheel, M.
AU - Scheuer, J.
AU - Schiworski, M.
AU - Schmidt, P.
AU - Schmidt, S.
AU - Schnabel, R.
AU - Schneewind, M.
AU - Schofield, R. M. S.
AU - Schönbeck, A.
AU - Schulte, B. W.
AU - Schutz, B. F.
AU - Schwartz, E.
AU - Scott, J.
AU - Scott, S. M.
AU - Seglar-Arroyo, M.
AU - Sellers, D.
AU - Sengupta, A. S.
AU - Sentenac, D.
AU - Seo, E. G.
AU - Sequino, V.
AU - Sergeev, A.
AU - Setyawati, Y.
AU - Shaffer, T.
AU - Shahriar, M. S.
AU - Shams, B.
AU - Sharma, A.
AU - Sharma, P.
AU - Shawhan, P.
AU - Shcheblanov, N. S.
AU - Shikauchi, M.
AU - Shoemaker, D. H.
AU - Shoemaker, D. M.
AU - ShyamSundar, S.
AU - Sieniawska, M.
AU - Sigg, D.
AU - Singer, L. P.
AU - Singh, D.
AU - Singh, N.
AU - Singha, A.
AU - Sintes, A. M.
AU - Sipala, V.
AU - Skliris, V.
AU - Slagmolen, B. J. J.
AU - Slaven-Blair, T. J.
AU - Smetana, J.
AU - Smith, J. R.
AU - Smith, R. J. E.
AU - Soldateschi, J.
AU - Somala, S. N.
AU - Son, E. J.
AU - Soni, K.
AU - Soni, S.
AU - Sordini, V.
AU - Sorrentino, F.
AU - Sorrentino, N.
AU - Soulard, R.
AU - Souradeep, T.
AU - Sowell, E.
AU - Spagnuolo, V.
AU - Spencer, A. P.
AU - Spera, M.
AU - Srinivasan, R.
AU - Srivastava, A. K.
AU - Srivastava, V.
AU - Staats, K.
AU - Stachie, C.
AU - Steer, D. A.
AU - Steinlechner, J.
AU - Steinlechner, S.
AU - Stevenson, S.
AU - Stops, D. J.
AU - Stover, M.
AU - Strain, K. A.
AU - Strang, L. C.
AU - Stratta, G.
AU - Strunk, A.
AU - Sturani, R.
AU - Stuver, A. L.
AU - Sudhagar, S.
AU - Sudhir, V.
AU - Suh, H. G.
AU - Summerscales, T. Z.
AU - Sun, H.
AU - Sun, L.
AU - Sunil, S.
AU - Sur, A.
AU - Suresh, J.
AU - Sutton, P. J.
AU - Swinkels, B. L.
AU - Szczepańczyk, M. J.
AU - Szewczyk, P.
AU - Tacca, M.
AU - Tait, S. C.
AU - Talbot, C. J.
AU - Talbot, C.
AU - Tanasijczuk, A. J.
AU - Tanner, D. B.
AU - Tao, D.
AU - Tao, L.
AU - Tapia San Martín, E. N.
AU - Taranto, C.
AU - Tasson, J. D.
AU - Tenorio, R.
AU - Terhune, J. E.
AU - Terkowski, L.
AU - Thirugnanasambandam, M. P.
AU - Thomas, M.
AU - Thomas, P.
AU - Thompson, J. E.
AU - Thondapu, S. R.
AU - Thorne, K. A.
AU - Thrane, E.
AU - Tiwari, Shubhanshu
AU - Tiwari, Srishti
AU - Tiwari, V.
AU - Toivonen, A. M.
AU - Toland, K.
AU - Tolley, A. E.
AU - Tonelli, M.
AU - Torres-Forné, A.
AU - Torrie, C. I.
AU - Tosta e Melo, I.
AU - Toÿrä, D.
AU - Trapananti, A.
AU - Travasso, F.
AU - Traylor, G.
AU - Trevor, M.
AU - Tringali, M. C.
AU - Tripathee, A.
AU - Troiano, L.
AU - Trovato, A.
AU - Trozzo, L.
AU - Trudeau, R. J.
AU - Tsai, D. S.
AU - Tsai, D.
AU - Tsang, K. W.
AU - Tse, M.
AU - Tso, R.
AU - Tsukada, L.
AU - Tsuna, D.
AU - Tsutsui, T.
AU - Turbang, K.
AU - Turconi, M.
AU - Ubhi, A. S.
AU - Udall, R. P.
AU - Ueno, K.
AU - Unnikrishnan, C. S.
AU - Urban, A. L.
AU - Utina, A.
AU - Vahlbruch, H.
AU - Vajente, G.
AU - Vajpeyi, A.
AU - Valdes, G.
AU - Valentini, M.
AU - Valsan, V.
AU - van Bakel, N.
AU - van Beuzekom, M.
AU - van den Brand, J. F. J.
AU - Van Den Broeck, C.
AU - Vander-Hyde, D. C.
AU - van der Schaaf, L.
AU - van Heijningen, J. V.
AU - Vanosky, J.
AU - van Remortel, N.
AU - Vardaro, M.
AU - Vargas, A. F.
AU - Varma, V.
AU - Vasúth, M.
AU - Vecchio, A.
AU - Vedovato, G.
AU - Veitch, J.
AU - Veitch, P. J.
AU - Venneberg, J.
AU - Venugopalan, G.
AU - Verkindt, D.
AU - Verma, P.
AU - Verma, Y.
AU - Veske, D.
AU - Vetrano, F.
AU - Viceré, A.
AU - Vidyant, S.
AU - Viets, A. D.
AU - Vijaykumar, A.
AU - Villa-Ortega, V.
AU - Vinet, J.-Y.
AU - Virtuoso, A.
AU - Vitale, S.
AU - Vo, T.
AU - Vocca, H.
AU - von Reis, E. R.G.
AU - von Wrangel, J. S. A.
AU - Vorvick, C.
AU - Vyatchanin, S. P.
AU - Wade, L. E.
AU - Wade, M.
AU - Wagner, K. J.
AU - Walet, R. C.
AU - Walker, M.
AU - Wallace, G. S.
AU - Wallace, L.
AU - Walsh, S.
AU - Wang, J. Z.
AU - Wang, W. H.
AU - Ward, R. L.
AU - Warner, J.
AU - Was, M.
AU - Washington, N. Y.
AU - Watchi, J.
AU - Weaver, B.
AU - Webster, S. A.
AU - Weinert, M.
AU - Weinstein, A. J.
AU - Weiss, R.
AU - Weller, C. M.
AU - Wellmann, F.
AU - Wen, L.
AU - Weßels, P.
AU - Wette, K.
AU - Whelan, J. T.
AU - White, D. D.
AU - Whiting, B. F.
AU - Whittle, C.
AU - Wilken, D.
AU - Williams, D.
AU - Williams, M. J.
AU - Williamson, A. R.
AU - Willis, J. L.
AU - Willke, B.
AU - Wilson, D. J.
AU - Winkler, W.
AU - Wipf, C. C.
AU - Wlodarczyk, T.
AU - Woan, G.
AU - Woehler, J.
AU - Wofford, J. K.
AU - Wong, I. C. F.
AU - Wu, D. S.
AU - Wysocki, D. M.
AU - Xiao, L.
AU - Yamamoto, H.
AU - Yang, F. W.
AU - Yang, L.
AU - Yang, Yang
AU - Yang, Z.
AU - Yap, M. J.
AU - Yeeles, D. W.
AU - Yelikar, A. B.
AU - Ying, M.
AU - Yoo, J.
AU - Yu, Hang
AU - Yu, Haocun
AU - Zadrożny, A.
AU - Zanolin, M.
AU - Zelenova, T.
AU - Zendri, J.-P.
AU - Zevin, M.
AU - Zhang, J.
AU - Zhang, L.
AU - Zhang, T.
AU - Zhang, Y.
AU - Zhao, C.
AU - Zhao, G.
AU - Zhao, Yue
AU - Zhou, R.
AU - Zhou, Z.
AU - Zhu, X. J.
AU - Zimmerman, A. B.
AU - Zucker, M. E.
AU - Zweizig, J.
AU - Jeong, Donghui
AU - Shandera, Sarah
PY - 2022/8/5
Y1 - 2022/8/5
N2 - We report on a search for compact binary coalescences where at least one binary component has a mass between 0.2 M⊙ and 1.0 M⊙ in Advanced LIGO and Advanced Virgo data collected between 1 April 2019 1500 UTC and 1 October 2019 1500 UTC. We extend our previous analyses in two main ways: we include data from the Virgo detector and we allow for more unequal mass systems, with mass ratio q ≥ 0.1. We do not report any gravitational-wave candidates. The most significant trigger has a false alarm rate of 0.14 yr-1. This implies an upper limit on the merger rate of subsolar binaries in the range [220-24200] Gpc-3 yr-1, depending on the chirp mass of the binary. We use this upper limit to derive astrophysical constraints on two phenomenological models that could produce subsolar-mass compact objects. One is an isotropic distribution of equal-mass primordial black holes. Using this model, we find that the fraction of dark matter in primordial black holes in the mass range 0.2 M < mPBH < 1.0 M⊙ is fPBH ≡ ΩPBH/ΩDM ≤ 6%. This improves existing constraints on primordial black hole abundance by a factor of ∼3. The other is a dissipative dark matter model, in which fermionic dark matter can collapse and form black holes. The upper limit on the fraction of dark matter black holes depends on the minimum mass of the black holes that can be formed: the most constraining result is obtained at Mmin = 1 M⊙, where fDBH ≡ ΩDBH/ΩDM ≤ 0.003%. These are the first constraints placed on dissipative dark models by subsolar-mass analyses.
AB - We report on a search for compact binary coalescences where at least one binary component has a mass between 0.2 M⊙ and 1.0 M⊙ in Advanced LIGO and Advanced Virgo data collected between 1 April 2019 1500 UTC and 1 October 2019 1500 UTC. We extend our previous analyses in two main ways: we include data from the Virgo detector and we allow for more unequal mass systems, with mass ratio q ≥ 0.1. We do not report any gravitational-wave candidates. The most significant trigger has a false alarm rate of 0.14 yr-1. This implies an upper limit on the merger rate of subsolar binaries in the range [220-24200] Gpc-3 yr-1, depending on the chirp mass of the binary. We use this upper limit to derive astrophysical constraints on two phenomenological models that could produce subsolar-mass compact objects. One is an isotropic distribution of equal-mass primordial black holes. Using this model, we find that the fraction of dark matter in primordial black holes in the mass range 0.2 M < mPBH < 1.0 M⊙ is fPBH ≡ ΩPBH/ΩDM ≤ 6%. This improves existing constraints on primordial black hole abundance by a factor of ∼3. The other is a dissipative dark matter model, in which fermionic dark matter can collapse and form black holes. The upper limit on the fraction of dark matter black holes depends on the minimum mass of the black holes that can be formed: the most constraining result is obtained at Mmin = 1 M⊙, where fDBH ≡ ΩDBH/ΩDM ≤ 0.003%. These are the first constraints placed on dissipative dark models by subsolar-mass analyses.
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85136500034&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.1103/PhysRevLett.129.061104
DO - 10.1103/PhysRevLett.129.061104
M3 - Article
C2 - 36018635
AN - SCOPUS:85136500034
SN - 0031-9007
VL - 129
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JF - Physical Review Letters
IS - 6
M1 - 061104
ER -