[論文レビュー] New limit insertion on pseudoscalar-photon mixing from WMAP Observations

Prabhakar Tiwari|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、WMAP7年間のフォアグラウンド低減済みCMBR温度および偏光データを用いて、初期宇宙の大規模磁場の存在下における擬スカラー粒子と光子の混合を制限した。10^{-10} eVのALPに対しては $g_{\phi}B \leq 1.6 \times 10^{-13}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$、10^{-15} eVの超軽量ALPに対しては $g_{\phi}B \leq 3.4 \times 10^{-15}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$ が得られ、axion-like粒子の光子への結合定数に対する制限を改善した。

ABSTRACT

The pseudoscalar-photon mixing in presence of large scale magnetic field induces polarization in light from distant cosmological sources. We study the effect of these pseudoscalars or axion like particles (ALPs) on Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR) and constrain the product of mixing strength $g_{\phi}$ times background magnetic field $B$. The background magnetic field has been assumed to be primordial and we assume large scale correlations with the correlation length of 1Mpc. We use WMAP seven year foreground reduced polarization and temperature data to constrain pseudoscalar-photon mixing parameter. We look for different mass limits of the pseudoscalars and find $g_{\phi}B\le 1.6 imes10^{-13} GeV^{-1} nG$ with ALPs of mass $10^{-10} eV$ and $g_{\phi}B\le3.4 imes10^{-15} GeV^{-1} nG$ for ultra light ALPs of mass $10^{-15} eV$.

研究の動機と目的

• 大規模な初期宇宙磁場の存在下における擬スカラー粒子と光子の混合が宇宙背景放射（CMBR）に与える影響を調査すること。
• 観測的なCMBRデータを用いて、擬スカラー粒子の結合定数 $g_{\phi}$ と磁場 $B$ の積を制限すること。
• 異なる擬スカラー粒子の質量がCMBRに誘導される偏光に与える影響を検討すること。
• WMAP7年間のフォアグラウンド低減済み温度および偏光データを分析することで、既存のaxion-like粒子（ALP）の結合定数に対する制限を改善すること。

提案手法

• 本研究では、1 Mpcの相関長を持つ背景磁場における擬スカラー粒子と光子の混合をモデル化し、初期宇宙由来を仮定した。
• WMAP7年間データリリースのうち、フォアグラウンド低減済みの温度および偏光パワー スペクトルを用い、理論的予測と観測結果を比較した。
• 理論的予測として、大規模磁場構造における一様な混合を仮定した場合のCMBR偏光を計算した。
• パrameter推定に尤度に基づく手法を用い、異なるALP質量における $g_{\phi}B$ の制限を導いた。
• モデルでは磁場強度と相関長を一定と仮定し、視線方向に沿った積分により有効な混合振幅を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模磁場における擬スカラー粒子と光子の混合が、宇宙背景放射（CMBR）の偏光にどのように影響を与えるか？
• RQ2 WMAPデータを用いて、質量 $10^{-10}\ \text{eV}$ のaxion-like粒子の $g_{\phi}B$ の積に対する最も厳しい制限は何か？
• RQ3 質量 $10^{-15}\ \text{eV}$ の超軽量axion-like粒子に対して、$g_{\phi}B$ の制限はどのように変化するか？
• RQ4 相関長1 Mpcの大規模磁場が、ALP混合に起因するCMBR偏光パターンにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 WMAP7年間データは、現在の限界を超える擬スカラー粒子と光子の混合の痕跡を検出可能か？

主な発見

• 質量 $10^{-10}\ \text{eV}$ のaxion-like粒子に対して、結合定数の積の制限は $g_{\phi}B \leq 1.6 \times 10^{-13}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$ である。
• 質量 $10^{-15}\ \text{eV}$ の超軽量axion-like粒子に対しては、制限が $g_{\phi}B \leq 3.4 \times 10^{-15}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$ に厳しくなる。
• 本分析では、高感度のWMAP7年間フォアグラウンド低減済み偏光および温度データを活用することで、既存の制限を改善した。
• 結果は、1 Mpcの相関長と宇宙的距離にわたる一様な構造を持つ初期宇宙磁場を仮定した上で導出された。
• 本研究では、CMBR偏光データが、axion-like粒子のような軽い擬スカラー粒子の存在と結合定数を調べる手段として有効であることを示した。