[論文レビュー] Axion mechanism of Sun luminosity and TSI variations: light shining through the solar radiation zone

V. D. Rusov, E. P. Linnik+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 51被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、太陽の核で生成されたアクシオン様粒子が、タコクリン層の磁場で高エネルギー光子に変換されることで、光度および全太陽放射量（TSI）の変動が引き起こされることを提案する。得られた光子-アクシオン結合定数は $ g_{a\gamma} = 7.2 \times 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ であり、既存の制約と整合的である。アクシオン質量は $ m_a \sim 10^{-5} \, \text{eV} $ と推定される。

ABSTRACT

It is shown that the hypothesis of the axion mechanism of Sun luminosity suggesting that the solar axion-like particles are born in the core of the Sun and may be efficiently converted back into γ-quanta in the magnetic field of the solar overshoot tachocline is physically relevant. As a result, it is also shown that the intensity variations of the γ-quanta of axion origin, induced by the magnetic field variations in the tachocline, directly cause the Sun luminosity and total solar irradiance (TSI) variations and eventually characterize the active and quiet states of the Sun. Within the framework of this mechanism estimations of the strength of the axion coupling to a photon (gaγ = 7.2 · 10−11GeV −1) and the axion-like particle mass (ma ∼ 10−5eV) have been obtained. It is also shown that the claimed axion parameters do not contradict any known experimental and theoretical model-independent limitations. 1

研究の動機と目的

• アクシオンメカニズムが太陽の光度およびTSI変動の原因として物理的に妥当であるかどうかを調査すること。
• 太陽の核で生成されたアクシオン様粒子が、タコクリン層の磁場を介してγ量子に効率的に変換可能かどうかを特定すること。
• 観測された太陽放射量の変動に基づいて、アクシオン-光子結合定数およびアクシオン質量を推定すること。
• 導出されたアクシオンパラメータが、モデルに依存しない実験的および理論的制約を満たしているかどうかを検証すること。

提案手法

• タコクリン層の磁場中における太陽のアクシオン様粒子から光子への変換を、プリマコフ効果を用いてモデル化する。
• 太陽のオーバーシュート層における磁場構造と空間分布を用いて、アクシオンから光子への変換効率を計算する。
• アクシオン-光子結合相互作用のラグランジアンを適用し、変換率およびそれに伴うγ線フラックスを導出する。
• アクシオン変換から予測されるTSIおよび光度変動を、観測された太陽活動周期と比較する。
• 太陽放射量の変動に関する観測的制約を用いて、アクシオン-光子結合定数およびアクシオン質量を推定する。
• 導出されたパラメータが、既知のモデルに依存しない限界（天体物理学的および実験的）と整合しているかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の核で生成されたアクシオン様粒子が、タコクリン層の磁場で効率的に光子に変換可能か？
• RQ2 アクシオン変換から生じるγ量子が、観測された太陽の光度およびTSI変動を説明できるか？
• RQ3 太陽放射量データから導出されたアクシオン-光子結合定数およびアクシオン質量の制約は何か？
• RQ4 導出されたアクシオンパラメータは、既存の実験的および理論的限界と整合的か？
• RQ5 アクシオンメカニズムは、太陽の活動的状態と静穏状態を物理的に妥当な方法で説明できるか？

主な発見

• 太陽の光度変動におけるアクシオンメカニズムは物理的に妥当であり、アクシオン様粒子がタコクリン層の磁場で光子に変換される。
• 導出されたアクシオン-光子結合定数 $ g_{a\gamma} = 7.2 \times 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ は、観測的制約と整合的である。
• アクシオン様粒子の質量は $ m_a \sim 10^{-5} \, \text{eV} $ と推定され、現在の制限範囲内にある。
• タコクリン層の磁場ゆらぎによって駆動されるアクシオン由来のγ量子の強度変動が、直接的にTSIおよび光度変動を説明できる。
• 提案されたアクシオンパラメータは、既知のモデルに依存しない実験的または理論的制約に矛盾しない。
• メカニズムは、タコクリン層の磁場強度の変動を通じて、太陽の活動的状態と静穏状態を自然に説明できる。