[論文レビュー] Hidden Photons from the Sun

Davide Cadamuro, Javier Redondo|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、太陽が太陽のプラズマ内での共鳴的光子-隠れた光子（HP）振動によって、標準光子との運動的混合に起因して、電子ボルト未満の質量の隠れた光子（HP）を放出すると提案している。解析的モデルと太陽の外層における共鳴効果を用いて、検出可能なHPフラックスを推定し、HP結合に対する感度を10倍以上に向上させうるとする。これは、宇宙論的放射過剰に関連する重要なパラメータ空間をカバーする。

ABSTRACT

A brief account of the phenomenon of photon oscillations into sub-eV mass hidden photons is given and used to estimate the flux and properties of these hypothetical particles from the Sun. A new generation of dedicated helioscopes, the Solar Hidden Photon Search (SHIPS) in the Hamburg Observatory amongst them, will cover a vast region of parameter space.

研究の動機と目的

• 太陽のプラズマ内での光子-HP振動を経由して生成される、電子ボルト未満の質量の隠れた光子（HP）のフラックスを推定すること。
• プラズマ密度がHP質量と一致する太陽の外層で発生する共鳴的生成メカニズムを特定すること。
• 次世代のヘリオスコープ（SHIPSやCAST）を用いたこれらのHPの検出可能性を評価すること。
• WMAP-7が示す余剰放射の好みを説明できるHP結合および質量のパラメータ空間を探索すること。

提案手法

• 標準光子とHPとの間の運動的混合を主な結合メカニズムとし、χでパrameter化する。
• HP生成が最大化される太陽内の層を特定するため、共鳴条件 mγ(R*) = mγ′ を適用する。
• 鋭い共鳴近似と線形化された太陽密度プロファイルを用いて、HPフラックスの解析的表現を導出する。
• 有界電子を伴う屈折率を、減衰振動子の和を用いて表現し、有効な光子質量を修正する。
• 束縛電子の効果と減衰により、周波数依存の共鳴半径のずれを考慮する。
• 弱い結合の極限において吸収を無視できる条件下で、プランクスペクトルと共鳴確率を用いてHPフラックスを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽のプラズマ内での共鳴的光子-HP振動によって、太陽から予想される隠れた光子のフラックスはどの程度か？
• RQ2 太陽のプラズマに存在する束縛電子は、共鳴条件およびHP放射の空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 地球におけるHPの検出可能な信号強度はどの程度で、現在の実験的制限と比べてどうか？
• RQ4 太陽からのHPフラックスは、WMAP-7の余剰放射異常を説明するパラメータ空間を探索できるか？
• RQ5 HP放射のプロファイルは太陽ディスク上でどのように見えるか？また、HP質量を測定するために利用可能か？

主な発見

• 隠れた光子の共鳴的生成は、mγ(R*) = mγ′ を満たす薄い層 R* で発生し、HP放射の強力な増幅を引き起こす。
• 鋭い共鳴近似において、HPフラックスは吸収係数 Γ に依存しないことが示され、検出予測が単純化される。
• 電子ボルト未満の質量のHPでは、共鳴は太陽表面付近（R* ≈ R⊙）で発生し、部分的にイオン化されたプラズマで、束縛電子が共鳴位置を変更する。
• 現在のCASTの制限と比較して、フラックスが10倍以上に増幅され、従来未探索のパラメータ空間へのアクセスが可能になると予測される。
• 放射は、束縛電子の効果による周波数依存の広がりを伴い、太陽ディスク上で半径 R* の輪状構造として現れる。
• 本モデルは、WMAP-7の放射過剰に関連する質量スケール（meVスケール）のHPが、将来的なヘリオスコープで検出可能なフラックスで生成可能であると予測している。