[論文レビュー] First constraints on axion-like particles from Galactic sub-PeV gamma rays

Christopher Eckner, Francesca Calore|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 125被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、HAWCおよびチベットASµによるサブペヴの銀河系ガンマ線データを用い、アイスキューブの銀河間高エネルギーニュートリノ放射とALP誘発ガンマ線信号との関連を活用することで、アキソン様粒子（ALP）に対する最初の直接的制約を提示する。ALPが銀河間および銀河系磁場内で変換するモデルを構築し、ALP質量が2 × 10−7 eV未満の場合、95%信頼水準での上界としてgaγγ < 2.1 × 10−11 GeV−1を設定した。これにより、ALPパラメータ空間における空白領域が埋まり、TeVガンマ線およびADMX実験からの既存の制約と補完的となる。

ABSTRACT

Experimental refinements and technical innovations in the field of extensive air shower telescopes have enabled measurements of Galactic cosmic-ray interactions in the sub-PeV range, providing new avenues for the search for new physics and dark matter. For the first time, we exploit sub-PeV (1 TeV -- 1 PeV) observations of Galactic diffuse gamma rays by HAWC and Tibet AS$\gamma$ to search for an axion-like-particle (ALP) induced gamma-ray signal directly linked to the origin of the IceCube extragalactic high-energy neutrino flux. Indeed, the production of high-energy neutrinos in extragalactic sources implies the concomitant production of gamma rays at comparable energies. Within the magnetic field of the neutrino emitting sources, gamma rays may efficiently convert into ALPs, escape their host galaxy un-attenuated, propagate through intergalactic space, and reconvert into gamma rays in the magnetic field of the Milky Way. Such a scenario creates an all-sky diffuse high-energy gamma-ray signal in the sub-PeV range. Accounting for the guaranteed Galactic astrophysical gamma-ray contributions from cosmic-ray interactions with gas and radiation and from sub-threshold sources, we set competitive upper limits on the photon-ALP coupling constant $g_{a\gamma\gamma}$. We find $g_{a\gamma\gamma} < 2.1 imes10^{-11}$ GeV$^{-1}$ for ALP masses $m_a \leq 2 imes10^{-7}$ eV at a 95\% confidence level. Our results are comparable to previous limits on ALPs derived from the TeV gamma-ray domain and progressively close the mass gap towards ADMX limits. The code and data to reproduce the results of this study are available on GitHub \url{https://github.com/ceckner/subPeVALPs}.

研究の動機と目的

• サブペヴの拡散ガンマ線観測を用いて、光子-ALP結合定数gaγγを制約すること。
• アイスキューブの銀河間高エネルギーニュートリノ放射とサブペヴ範囲のALP誘発ガンマ線信号との相乗効果を活用すること。
• TeVガンマ線とADMX限界の間のALPパラメータ空間における空白領域を、従来未探索であった質量範囲を探索することで埋めること。
• 宇宙線の衝突および解像度の低い源からの銀河系天体物理学的ガンマ線寄与をモデル化・減算し、潜在的なALP誘発信号を分離すること。

提案手法

• 1 TeVから1 PeVのエネルギー範囲で、HAWC（43° < l < 73°, |b| < 4°）およびチベットASµ（25° < l < 100°, |b| < 5°）の拡散ガンマ線フラックス測定値を用いた。
• 銀河間ニュートリノ放射源におけるp-pまたはp-γ反応によるALP生成のモデルを構築し、その後、ミルキーウェイの磁場内で光子に変換する過程を記述した。
• 外部磁場内での光子-ALP振動を記述するため、プリマコフ効果形式を用い、密度行列のハミルトニアン時間発展方程式：idρ/dz = [Hdis, ρ] - i/2{Habs, ρ}を適用した。
• プラズマ、磁場、放射場の寄与を考慮し、分散的および吸収的効果を行列要素Δ⊥, Δ∥, Δa, Δaγを用いて取り入れた。
• 観測データと合計予測ガンマ線フラックス（天体物理学的寄与 + ALP誘発寄与）を統計的に比較し、gaγγとmaを変化させて除外限界を導出した。
• ALPフラックスをモデル化するため、銀河間源における星形成率密度の進化および磁場強度の進化を反映したファイドカルプレジメを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCおよびチベットASµによるサブペヴの拡散銀河系ガンマ線観測は、光子-ALP結合定数gaγγを制約するために利用可能か？
• RQ2 ALPが銀河間ニュートリノ源から来ると仮定した場合、1 TeVから1 PeVの範囲におけるALP誘発ガンマ線の銀河系拡散放射への寄与は何か？
• RQ3 観測されたサブペヴガンマ線フラックスは、宇宙線の衝突および解像度の低い源からの予想される天体物理学的背景と比べてどうか？
• RQ4 本手法は2 × 10−7 eV未満のALP質量に対してどの程度感度が高く、他の実験からの既存の制約と比較してどうか？
• RQ5 アイスキューブのニュートリノ放射は、銀河間源におけるALP生成の代理指標としてどの程度利用可能か？

主な発見

• ALP質量ma ≤ 2 × 10−7 eVの場合、95%信頼水準での上界としてgaγγ < 2.1 × 10−11 GeV−1を設定した。
• 得られた制約は、従来のTeVガンマ線領域からの制約と同等であり、低質量ALPパラメータ空間におけるADMX限界へのギャップを段階的に埋めることを示した。
• 本分析は、特にma < 2 × 10−7 eVの範囲で、従来未探索であったALPパラメータ空間をサブペヴガンマ線観測で探査可能であることを示した。
• モデルは、宇宙線とガス・放射場との相互作用、および解像度の低いTeV源からの保証された銀河系天体物理学的寄与を考慮しており、バックグラウンド汚染に対して堅牢である。
• 結果は、GitHubリポジトリ（https://github.com/ceckner/subPeVALPs）で公開されたコードおよびデータを用いて再現可能である。
• 本研究は、実際のサブペヴ拡散ガンマ線データを用いたALPに対する最初の直接的制約を提供し、銀河間ニュートリノ源からのALP誘発ガンマ線信号の理論的枠組みを裏付けた。