[論文レビュー] Interpretation of multi-TeV photons from GRB221009A

Ali Baktash, D. Horns+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、GRB221009Aから検出された18 TeVの光子の起源を調査しており、これは宇宙背景光（EBL）吸収による極めて高い光学的厚さのため、標準的なガンマ線伝播モデルと整合しないように見える。光子-ALP混合またはローレンツ不変性破れ（LIV）がペア生成を抑制することで、光子の生存が可能になると提案しているが、必要な結合定数やエネルギースケールは、混合が源付近で起こるか、LIVスケールが非常に低い場合を除いて、既存の天体物理学的制約と矛盾する。

ABSTRACT

The nearby GRB221009A at redshift $z=0.1505$ has been observed up to a maximum energy of 18 TeV with the LHAASO air shower array. The expected optical depth for a photon with energy $E_γ=18$ TeV varies between 9.4 and 27.1 according to existing models of the extra-galactic background light (EBL) in the relevant mid infra-red range. The resulting suppression of the flux in several (but not all) EBL models makes it for these EBL models unlikely that this photon could have been observed at the claimed energy. If the photon event and its energy are confirmed and possibly even more photons above 10 TeV have been observed, the photon-pair production process would have to be suppressed by mechanisms predicted in extensions of the Standard Model of particle physics. We consider the possibilities of photon mixing with a light pseudo-scalar (e.g., axion-like particles; ALPs) in the magnetic field of the host galaxy and the Milky Way and Lorentz invariance violation (LIV). In the case of photon-ALP mixing, the boost factor would reach values $\sim10^6$ for photon couplings not ruled out by the CAST experiment, but limited by other astrophysical constraints. Viable scenarios would require either very efficient mixing in or near to the GRB or that the largest part of the total luminosity is radiated at TeV energies, different from previous GRB afterglows. In the case of LIV, required boost factors are achievable for a LIV breaking energy scale $\lesssim 2 imes 10^{29}$~eV ($\lesssim 4 imes 10^{21}$~eV) for the linear (quadratic) modification of the dispersion relation. A more simple explanation would be a misidentification of a charged cosmic-ray air shower.

研究の動機と目的

• 18 TeVの光子が標準モデルにおいてEBL吸収による極めて高い光学的厚さを示すが、その検出を説明すること。
• 光子-ALP混合またはローレンツ不変性破れ（LIV）がペア生成を抑制し、地球に到達する高エネルギー光子を可能にするかどうかを評価すること。
• 観測された光子エネルギーと放射束が、他の観測からの天体物理学的制約と整合するかどうかを評価すること。
• 高エネルギー信号が、より単純な説明として誤って特定された荷電宇宙線大気シャワーである可能性を検討すること。

提案手法

• 著者らは、複数のEBLモデルを用いて18 TeV光子のEBL誘発光学的厚さを計算し、9.4から27.1の範囲の値を得た。
• 銀河および銀河間磁場における光子-ALP混合をモデル化し、約10^6のブースト因子を達成するための結合定数 $ g_{a\gamma} $ を導出している。
• 修正された分散関係を用いたローレンツ不変性破れ（LIV）の分析を行い、線形および二次のLIV項のための必要なエネルギースケール $ M_1 $ および $ M_2 $ を計算している。
• Swift-XRT光曲線を代理として用い、GRB221009AのVHE後光の予想放射束をLHAASO観測と比較し、正規化係数 $ \zeta $ を変化させた。
• CASTおよび他の源からの既存の天体物理学的制約と照らし合わせ、予測された $ g_{a\gamma} $ および $ M $ 値の整合性を評価している。
• 誤って特定された宇宙線大気シャワーである可能性を検討し、バックグラウンドの期待値を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB221009Aからの観測された18 TeV光子は、標準的なEBL吸収モデルで説明可能か？ それとも、その検出に適した光学的厚さが高すぎるか？
• RQ2 ペア生成を抑制し、18 TeV光子が生存可能にするために必要な光子-ALP結合定数 $ g_{a\gamma} $ はどの程度か？ そして、既存の天体物理学的制約と整合するか？
• RQ3 ガンマ線の不透明度を低下させるために必要なローレンツ不変性破れ（LIV）のエネルギースケール $ M $ はどの程度か？ そして、観測的制約と整合するか？
• RQ4 X線後光を正規化係数 $ \zeta $ を用いてモデル化したVHE後光の時間的挙動は、500 GeV以上のLHAASO光子数を再現できるか？
• RQ5 背景率を考慮すると、18 TeVのイベントが誤って特定された荷電宇宙線大気シャワーである可能性はどの程度か？

主な発見

• 18 TeV光子の光学的厚さは、EBLモデルに応じて9.4から27.1の範囲にあり、標準的物理では検出確率が $ 7 \times 10^{-9} $ 未満にまで低下するため、その観測は非常に不確実である。
• 約10^6のブースト因子を達成するためには、$ g_{a\gamma} \gtrsim 6 \times 10^{-12}~\mathrm{GeV}^{-1} $ の結合定数が必要だが、これはCASTおよび他の天体物理学的観測からの制約と矛盾する。
• ALP混合が実現可能であるためには、源付近での非常に効率的な混合、または顕著なTeV放射出力成分の存在が必要であり、これは通常のGRB後光とは異なる。
• 線形分散関係を伴うLIVでは $ M_1 \lesssim 2 \times 10^{29}~\mathrm{eV} $ が必要で、一部の制約と整合するが、二次的LIVでは $ M_2 \lesssim 4 \times 10^{21}~\mathrm{eV} $ が必要で、それほど現実的ではない。
• 18 TeVでの誤って特定された荷電宇宙線大気シャワーの検出確率は、観測事象と整合的であり、より単純で従来の説明を提供する。
• このような高エネルギー光子の観測は、ALP混合やLIVといった新しい物理が作用している場合、異常な透過性を示す可能性があり、新たな発見をもたらす可能性がある。