[論文レビュー] Parameters of axion-like particles required to explain high-energy photons from GRB 221009A

S. Troitsky|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、宇宙背景放射との対生成による衰減が生じるため、通常は宇宙論的距離を無衰弱で伝播できない超高エネルギー光子（最大251 TeV）の検出を、銀河系の磁場内におけるアキソン様粒子（ALP）と光子の混合が説明可能であると提案している。ALP-光子変換は、銀河間空間ではなく銀河系内での発生が好ましく、過剰な減衰を避けるために特定のALP質量および結合定数のパラメータ空間を必要とする。

ABSTRACT

Recent astrophysical transient Swift J1913.1+1946 is possibly associated with the gamma-ray burst GRB 221009A at the redshift z=0.151. The transient was accompanied by very high-energy gamma rays up to 18 TeV observed by LHAASO and a photon-like air shower of 251 TeV detected by Carpet-2. These energetic gamma rays cannot reach us from the claimed distance of the source because of the pair production on cosmic background radiation. If the identification and redshift measurements are correct, one would require new physics to explain the data. One possibility invokes axion-like particles (ALPs) which mix with photons but do not attenuate on the background radiation. Here we explore the ALP parameter space and find that the ALP-photon mixing in the Milky Way, and not in the intergalactic space, may help to explain the observations. However, given the low Galactic latitude of the event, misidentification with a Galactic transient remains an undiscarded explanation.

研究の動機と目的

• 宇宙背景放射との対生成によって宇宙論的距離を無衰弱で伝播できないため、通常は不可能な251 TeVの超高エネルギー光子がGRB 221009Aから検出されたことを説明すること。
• アキソン様粒子（ALP）と光子の混合が、これらの光子が地球に到達するのに有効なメカニズムを提供できるかどうかを調査すること。
• ALP-光子変換が銀河間媒体よりも銀河系の磁場内でする可能性が高いかどうかを特定すること。
• このような状況を可能にするALP質量および光子結合定数の許容可能なパラメータ空間を制約すること。
• GRBの低銀経度（b ≈ 4°）を踏まえて、高エネルギー光子が遠方のGRBではなく、近傍の銀河系一時的天体由来である可能性を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 z ≈ 0.151 のGRB 221009Aからの光子伝搬を分析し、宇宙マイクロ波背景放射および赤外背景放射との対生成による減衰を考慮する。
• 外部磁場内でのALP-光子混合形式を適用し、Lagrangianの相互作用項 −(g/4)aFμνF̃μν を用いて光子とALP間の変換をモデル化する。
• 2通りのシナリオを評価する：弱い磁場の銀河間空間におけるALP-光子振動（変換効率が低い）と、強い局所的磁場（例えば、銀河系や宿主銀河内）におけるもの。
• ALP混合下での高エネルギー光子の生存確率を計算し、完全な減衰を避けるために銀河系内での変換が好ましいことを示す。
• LHAASO（18 TeV光子）およびCarpet-2（251 TeVの空気シャワー）の観測制約を用いて、ALPパラメータ空間を制約する。
• 代替説として、GRBの低銀経度（b ≈ 4°）を考慮し、天体の誤識別が銀河系一時的天体由来である可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場内でのアキソン様粒子（ALP）-光子混合が、GRB 221009Aからの251 TeV光子の検出を説明できるか？
• RQ2 ALP-光子変換は、銀河間媒体よりも銀河系の磁場内でする可能性が高いか？
• RQ3 観測された超高エネルギー光子が伝搬を生き残れるような、ALP質量および光子結合定数の許容範囲は何か？
• RQ4 GRB 221009Aの低銀経度（b ≈ 4°）を踏まえて、高エネルギー光子が近傍の銀河系一時的天体由来である可能性はないか？
• RQ5 観測された光度曲線および空間的一致が、ALP説と銀河系起源の説の両者を支持するか、あるいは挑戦するか？

主な発見

• 赤方偏移 z ≈ 0.151 のGRB 221009Aから検出された251 TeV光子は、標準的な光子伝搬では説明できない。宇宙マイクロ波背景放射との対生成による減衰が極めて強く、光学的厚さは3000以上に達するためである。
• 銀河系の磁場内でのALP-光子混合は、銀河間混合シナリオで見られる強い減衰を避けるため、観測を説明する有効なメカニズムである。
• 銀河間ALP混合は好ましくない。仮定された銀河間磁場下では、18 TeV光子の生存確率はわずか ∼10⁻⁵ にとどまる。
• 検出可能な光子フラックスを許容するALPパラメータ空間は、質量と結合定数の特定の組み合わせに制限されており、変換は主に宿主銀河および銀河系内で発生する。
• GRB 221009Aの低銀経度（b ≈ 4°）は、3HWC J1928+178 や LHAASO J1929+1745 といった、視線方向に近接する銀河系一時的天体と誤認される可能性を高める。
• 今後の研究では、高エネルギー光子がGRB由来か、一致する銀河系フレア由来かを明確に分離する必要がある。特に、この一時的天体の異常な光度曲線に注意を要する。