[論文レビュー] Pair-production opacity at high and very-high gamma-ray energies

D. Horns, M. Meyer|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、高エネルギーのガンマ線に対する異常な透過率を探索するため、Fermi-LATデータを分析した。高赤方偏移AGNからτ > 2の3つの光子が検出された。3.68σの組み合わせられた事後的有意水準は、対応する電子対生成の透過率が低下していることを示しており、標準的な銀河間背景光（EBL）モデルからの逸脱、あるいはアクシオン様粒子のような新しい物理現象の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The propagation of high energy (HE, $E_γ>100$ MeV) and very high-energy gamma-rays (VHE, $E_γ>100$ GeV) in the extra-galactic photon field leads to pair-production and consequently energy- and distance-dependent attenuation of the primary intensity. The spectroscopy of an increasing number of extra-galactic objects at HE and VHE energies has demonstrated indeed the presence of such an attenuation which in turn has been used to constrain the photon density in the medium. At large optical depth ($τ\gtrsim 2$) potential modifications of pair-production due to competing but rare processes (as, e.g., the presence of sub-neV axion-like particle) may be found. Indications for a pair-production anomaly have previously been found with VHE-spectra. Here, we present further indications (at the level of $3.68 σ$) for a reduced optical depth at high energies from an analysis of Fermi- extit{LAT} data.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのFermi-LATデータを用いて、銀河間背景光（EBL）におけるガンマ線の減衰の標準的挙動からの逸脱を調査すること。
• 遠方のAGNからの観測された高エネルギーのガンマ線スペクトルが、τ > 2の状況で電子対生成の透過率が低下している兆候を示しているかどうかを検証すること。
• このような異常が、アクシオン様粒子や光子の伝播の修正といった新しい物理現象に与える影響を検討すること。
• Fermi-LATの結果と過去のVHE観測を統合し、EBLの正規化と透過率に関する制約を強化すること。

提案手法

• ULTRACLEANイベントクラスを用いて、高銀緯度（|b| > 10°）かつ天頂角Z < 100°のEγ > 10 GeVの光子を選別した。
• 2FGLおよび3FGLカタログに掲載された既知のガンマ線放射AGNと照合し、赤方偏移が既知のものとした。
• 背景汚染を低減するため、エネルギーが500 GeVを超える光子および関連付け確率が90%未満の光子を除外した。
• 1 GeVから吸収による1%のフラックス損失までをパワー則の外挿により、期待される源の光子数を計算した。
• Fisherの手法を用いて、3つの高τ光子の確率を組み合わせ、全体的な有意水準を評価した。
• エネルギーおよびスペクトル指数における系統的不確実性を考慮し、事前および事後の試行補正を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fermi-LATのエネルギー範囲内で、標準的なEBLモデルが予測するものよりも高いエネルギー（Eγ > 100 GeV）におけるガンマ線の透過率が低下している証拠はあるか？
• RQ2 赤方偏移τ > 2の遠方AGNからの観測された高エネルギー光子は、予想される電子対生成による減衰からの逸脱を示唆しているか？
• RQ3 観測された異常は、アクシオン様粒子や光子の伝播の修正といった新しい物理現象によって説明可能だろうか？
• RQ4 Fermi-LATと過去のVHE観測との間で、この異常な有意水準はどのように比較されるか？
• RQ5 エネルギー校正および固有スペクトル指数における系統的変動に対して、この結果はどれほど頑健か？

主な発見

• 3つの異なるAGNから、光学的厚さτ > 2の光子が3つ特定された：GB6J1001+2911（τ = 2.18, z = 0.558）、S4 0218+35（τ = 2.46, z = 0.944）、Ton 599（τ = 3.1, z = 0.725）。
• 標準的な吸収のもとでこれらの3つの光子を検出する事前確率は6.57 × 10⁻⁶であり、有意水準は4.36σに相当する。
• 試行補正を施した後、事後の有意水準は1.17 × 10⁻⁴に相当し、3.68σに相当する。これは統計的に有意な異常を示している。
• エネルギー不確実性およびより硬い固有スペクトルの変動を考慮しても、事前確率は上昇したが、有意水準は3σ未満に低下しなかった。
• この結果は、過去のVHEデータからの初期の示唆と整合しており、標準的なEBLに基づく減衰からの普遍的な逸脱の可能性を示唆している。
• これらの発見は、サブ・ネヴのアクシオン様粒子が引き起こすような光子伝播の修正の可能性を示唆しているが、明確な説明は提示されていない。