[論文レビュー] Axion-like particles explain the unphysical redshift-dependence of AGN gamma-ray spectra

Giorgio Galanti, M. Roncadelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ブレザーアの超高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトルで観測された物理的に不自然な赤方偏移依存性を、アキソン様粒子（ALPs）が説明すると提案している。銀河間磁場内での光子-ALP混合により、観測されたスペクトル指数は赤方偏移に依存しなくなり、長年の矛盾が解消され、ALPsおよびその寒冷暗黒物質における役割に関する間接的証拠が得られる。

ABSTRACT

Blazars are a class of AGN known to be powerful very-high-energy (VHE, 100 GeV - 100 TeV) celestial gamma-ray emitters. At the time of writing, 41 blazars, spread all over the sky and with known redshift in the range $0.0215 \leq z \leq 0.635$ have been observed in the VHE band by the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes H.E.S.S., MAGIC and VERITAS. Thus, they represent an isotropic and relatively local extragalactic sample, unaffected by significant cosmological evolution. The blazar emitted spectra are well fitted by a power law with index $\Gamma_{ m em}$. We show that the $\Gamma_{ m em}$ distribution exhibits an unexpected and previously unnoticed unphysical redshift-dependence. We demonstrate that this result is not due to any selection effect. It is difficult to imagine an intrinsic mechanism which could lead to such a spectral variation, and so this result seriously challenges the conventional view. We propose that such a behaviour is explained by oscillations between the VHE gamma-rays and Axion-Like Particles (ALPs), taking place in extragalactic magnetic fields. We recall that ALPs are predicted by several extensions of the Standard Model and especially by those based on superstring theories. Moreover, they are attracting growing interest being also good candidates for cold dark matter. As a consequence of the photon-ALP oscillation mechanism, the $\Gamma_{ m em}$ distribution becomes redshift-independent, indeed in agreement with the physical expectation. This is a highly nontrivial fact, which therefore provides a preliminary evidence for the existence of ALPs. Thus, besides physics laboratory data, astrophysical VHE data from e.g. the upcoming CTA can settle this issue. Our Universe may in this way be offering us a compelling reason to push physics beyond the Standard Model along a very specific direction and can shed light on the nature of cold dark matter.

研究の動機と目的

• VHEガンマ線スペクトル指数の物理的期待と矛盾する、ブレザーアにおける不自然な赤方偏移依存性を解消すること。
• この異常は、とりわけアキソン様粒子（ALPs）を含む標準模型を超える物理学によって説明可能かどうかを調査すること。
• 銀河間磁場内でのALP誘発光子-ALP混合が、観測されたスペクトルの赤方偏移依存性と宇宙論的期待値を一致させられることを検証すること。
• 観測された赤方偏移に伴うスペクトルの緩和が、真の源の進化ではなく、真空偏極および混合の結果として生じるという物理的メカニズムを提示すること。
• VHEガンマ線観測を、ALPsおよび寒冷暗黒物質候補の探査手段として位置づけること。

提案手法

• H.E.S.S.、MAGIC、VERITASが観測した、赤方偏移が 0.0215 から 0.635 の間の 41 個のブレザーアからのVHEガンマ線スペクトルを分析すること。
• 観測スペクトルをパワー則モデルでフィットし、固有スペクトル指数 Γ_m_em を抽出すること。
• 選択効果に起因しない、体系的な物理的に不自然な Γ_m_em の赤方偏移依存性を同定すること。
• 混合角およびALP質量パラメータを用いて、銀河間磁場内での光子-ALP混合をモデル化すること。
• エネルギー依存の光子からALPへの遷移確率およびその逆をシミュレートし、観測スペクトルを修正すること。
• 観測された Γ_m_em の赤方偏移依存性を、ALP混合モデルの予測と比較し、整合性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ観測されたブレザーアのVHEガンマ線スペクトル指数が、物理的期待とは反して赤方偏移に依存するのであろうか？
• RQ2 この赤方偏移依存性は、真空偏極または光子-ALP混合の結果としての誤差であり、真の源の進化とは無関係ではないか？
• RQ3 銀河間磁場内でのアキソン様粒子の混合が、観測された赤方偏移に伴うスペクトルの緩和をどの程度説明できるか？
• RQ4 ALPモデル下での有効スペクトル指数の赤方偏移不変性が、観測データと整合するか？
• RQ5 ブレザーアのVHEガンマ線観測は、ALPsの存在およびその寒冷暗黒物質における役割を探査するための有効な手段となり得るか？

主な発見

• 赤方偏移 0.0215 ≤ z ≤ 0.635 の 41 個のブレザーアにおいて、観測されたVHEガンマ線スペクトル指数（Γ_m_em）の分布は、顕著な物理的に不自然な赤方偏移依存性を示している。
• この赤方偏移依存性は、観測選択効果に起因しないことから、機器的またはサンプルバイアスが原因である可能性は排除された。
• 銀河間磁場内での光子-ALP混合を組み込むことで、Γ_m_em の赤方偏移依存性が消失し、物理的期待と整合する赤方偏移不変の分布に変化する。
• モデルは、赤方偏移に伴うスペクトルの緩和を、真の源の進化ではなく、光子-ALP混合の結果として自然に説明できる。
• ALPモデルと観測データの整合性は、アキソン様粒子の存在についての初期的で非自明な証拠を示している。
• 結果から、将来の観測施設（例：CTA）のVHEガンマ線データが、ALP仮説を明確に検証できる可能性があると示唆される。