[論文レビュー] No evidence for axions from Chandra observation of magnetic white dwarf

Christopher Dessert, Andrew J. Long+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、磁化白色矮星RE J0317-853に対する40-ksのチャンドラX線観測を用いて、axionから光子への変換の兆候を探索した。X線放射の検出は得られなかった。非検出結果により、axion質量 $ m_a \lesssim 5 \times 10^{-6} \, \text{eV} $ の範囲で、95%信頼水準において $ g_{a\gamma\gamma} \lesssim 5.5 \times 10^{-13} \sqrt{C_{a\gamma\gamma}/C_{aee}} \, \text{GeV}^{-1} $ の厳密な上限が得られ、axion-光子結合定数が $ 4.4 \times 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ よりも大きい場合を強く排除する。これは、axion-電子結合に高エネルギー物理学的完成モデルの寄与がない場合でも同様に成立する。

ABSTRACT

Ultralight axions with axion-photon couplings $g_{aγγ} \sim { m few} imes 10^{-11}$ GeV$^{-1}$ may resolve a number of astrophysical anomalies, such as unexpected ~TeV transparency, anomalous stellar cooling, and X-ray excesses from nearby neutron stars. We show, however, that such axions are severely constrained by the non-observation of X-rays from the magnetic white dwarf (MWD) RE J0317-853 using ~40 ks of data acquired from a dedicated observation with the Chandra X-ray Observatory. Axions may be produced in the core of the MWD through electron bremsstrahlung and then convert to X-rays in the magnetosphere. The non-observation of X-rays constrains the axion-photon coupling to $g_{aγγ} \lesssim 5.5 imes 10^{-13} \sqrt{C_{aγγ}/C_{aee}}$ GeV$^{-1}$ at 95% confidence for axion masses $m_a \lesssim 5 imes 10^{-6}$ eV, with $C_{aee}$ and $C_{aγγ}$ the dimensionless coupling constants to electrons and photons. Considering that $C_{aee}$ is generated from the renormalization group, our results robustly disfavor $g_{aγγ} \gtrsim 4.4 imes 10^{-11}$ GeV$^{-1}$ even for models with no ultraviolet contribution to $C_{aee}$.

研究の動機と目的

• 磁化白色矮星の磁気圏内でaxion-光子変換が発生し、検出可能なX線を生成する可能性があるという仮説を検証すること。
• 近接した磁化白色矮星RE J0317-853の高感度X線観測を用いて、axion-光子結合およびaxion-電子結合を制限すること。
• 星の冷却過剰やTeV透過性の問題といった天体物理学的異常を解消する可能性を有するaxion類粒子の妥当性を評価すること。
• axion-電子結合のUV完成モデルに依存しない、axion結合に対する強固な制限を提供すること。

提案手法

• 磁化白色矮星RE J0317-853に対するチャンドラX線望遠鏡の40 ks分のデータを分析し、その磁気圏内でのaxionから光子への変換に起因するX線放射を探索する。
• axion-電子結合 $ g_{aee} $ を用いて、白色矮星内部での電子ブレムストラール放電によるaxion生成をモデル化する。
• axion-光子結合 $ g_{a\gamma\gamma} $ を用いて、磁気圏内でのaxionから光子への変換確率を計算し、磁場の幾何構造とプラズマスクリーニング効果を組み込む。
• 非観測のX線データに基づき、95%信頼水準における $ g_{a\gamma\gamma} g_{aee} $ の上限を導出するため、パワー制約付き尤度解析を適用する。
• 観測された上限を、$ C_{aee} = C_{a\gamma\gamma} $ および $ C_{aee} \approx 1.5 \times 10^{-4} C_{a\gamma\gamma} $ の2つの状況（保守的 $ W $-不活性axionを想定）において、$ g_{a\gamma\gamma} $ の制限に変換する。
• degenerateプラズマ内での電子ブレムストラール放電から導かれるaxion発光度の式を用い、フェルミ運動量、イオン組成、スクリーニング効果を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化白色矮星RE J0317-853の磁気圏内でのaxion-光子変換が、$ \sim 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ の範囲のaxion-光子結合に対して検出可能なX線放射を生成できるか？
• RQ2 深さのあるチャンドラ観測におけるX線非検出に基づいて、axion-光子結合 $ g_{a\gamma\gamma} $ にどの程度の上限を設定できるか？
• RQ3 特に $ C_{aee} $ がループ補正によって生成される場合に、これらの制限はaxion-電子結合の不確実性に対してどの程度頑健か？
• RQ4 これらの結果は、星の冷却過剰や中性子星からのX線過剰といった天体物理学的異常を解消するためのaxion類粒子の可能性をどの程度排除するか？

主な発見

• RE J0317-853からのX線非検出により、低質量axionに対して95%信頼水準で $ g_{a\gamma\gamma} g_{aee} \lesssim 1.3 \times 10^{-25} \, \text{GeV}^{-1} $ の制限が得られた。
• axion質量 $ m_a \lesssim 5 \times 10^{-6} \, \text{eV} $ の範囲で、95%信頼水準における上限として $ g_{a\gamma\gamma} \lesssim 5.5 \times 10^{-13} \sqrt{C_{a\gamma\gamma}/C_{aee}} \, \text{GeV}^{-1} $ が得られた。
• axion-電子結合に高エネルギー物理学的完成モデルの寄与がない場合でも、$ g_{a\gamma\gamma} \gtrsim 4.4 \times 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ は強く排除される。
• $ C_{aee} = C_{a\gamma\gamma} $ の仮定下で制限が最も強く、$ g_{a\gamma\gamma} \lesssim 5.5 \times 10^{-13} \, \text{GeV}^{-1} $ が得られ、より保守的な $ C_{aee} \approx 1.5 \times 10^{-4} C_{a\gamma\gamma} $ の状況でも依然として強い制限が得られた。
• axion-光子結合に関する既存の制限を、axionの軸宇宙（Axiverse）に重要な低質量領域において著しく厳密にした。
• 磁化白色矮星RE J0317-853が、ultralight axionの強力なプローブであることが示された。実験的および天体物理学的探索と同等の感度を有する。