[論文レビュー] Photon-ALP oscillations from a blazar to us up to 1000 TeV

Giorgio Galanti, F. Tavecchio+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、Blazarからの非常に高エネルギー（VHE）光子における光子-axion-like粒子（ALP）混合を、宇宙の多様な天体環境における現実的な磁場をモデル化することで調査している。この研究では、20 TeVを超えるエネルギーでスペクトルの振動と光子過剰を予測しており、今後稼働予定の観測施設（CTA や HAWC）や、実験室での実験（ALPS II や IAXO）で検証可能である。

ABSTRACT

Prompted by the increasing interest of axion-like particles (ALPs) for very-high-energy (VHE) astrophysics, we have considered a full scenario for the propagation of a VHE photon/ALP beam emitted by a BL Lac and reaching us in the light of the most up-to-date astrophysical information and for energies up to above $100 \, m TeV$. During its trip, the beam -- generated in a small region of a BL Lac jet -- crosses a variety of magnetic structures in very different astronomical environments: the BL Lac jet, the host elliptical galaxy, the extragalactic space and the Milky Way. We have taken an effort to model all these magnetic fields in the most realistic fashion and using a new model developed by us concerning the extragalactic magnetic field. Assuming an intrinsic spectrum with a power law exponentially truncated at a fixed cut-off energy, we have evaluated the resulting observed spectra of Markarian 501, the extreme BL Lac 1ES 0229+200 and a similar source located at $z = 0.6$ up to above $100 \, m TeV$. We obtain interesting results: the model with photon-ALP oscillations possesses features (spectral energy oscillatory behaviour and photon excess above $20 \, m TeV$) which can be tested by $\gamma$-ray observatories like CTA, HAWC, GAMMA 400, LHAASO, TAIGA-HiSCORE and HERD. In addition, our ALP can be detected in dedicated laboratory experiments like the upgrade of ALPS II at DESY, the planned IAXO and STAX experiments, as well as with other techniques developed by Avignone and collaborators.

研究の動機と目的

• 宇宙空間における多様な磁場環境を経由するBlazarからのVHE光子およびALPの伝播をモデル化すること。
• ジェット内、宿主銀河、銀河間空間、およびミルキーウェイにおける現実的な磁場構造が、光子-ALP混合に与える影響を評価すること。
• Markarian 501 や 1ES 0229+200 などの極端なBL Lac対象の観測スペクトルが、100 TeVを超えるエネルギー領域までに及ぼす影響を評価すること。
• 現在および今後のガンマ線望遠鏡や実験室実験で検証可能な、光子-ALP混合の観測可能な特徴を同定すること。

提案手法

• 新しい銀河間磁場モデルを構築し、包括的な伝播フレームワークに統合した。
• ビームの進化を、Blazarジェット、宿主楕円銀河、銀河間媒体、およびミルキーウェイの複数の磁場環境を経てシミュレートした。
• 固有の光子スペクトルを、固定エネルギーでの指数的カットオフを伴うべきべき乗法則としてモデル化し、エネルギー依存の混合効果を可能にした。
• 有効ラグランジアンおよび混合角形式を用いて、変化する磁場強度と方向を考慮した光子-ALP混合を計算した。
• 異なる赤方偏移（z = 0.6 を含む）の源における観測スペクトルを比較し、エネルギー依存の特徴を評価した。
• CTA、HAWC、GAMMA 400、LHAASO、TAIGA-HiSCORE、HERD などの観測施設、および ALPS II、IAXO、STAX などの実験室実験に対する予測をした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジェット内、宿主銀河、銀河間空間、およびミルキーウェイにおける現実的な磁場配置が、BlazarからのVHE光子における光子-ALP混合にどのように影響を与えるか？
• RQ2 20 TeVを超えるエネルギー領域で、光子-ALP混合に起因する観測スペクトルにどのような特徴が現れるか？
• RQ3 このモデルが、現在および将来のガンマ線望遠鏡で検出可能な20 TeVを超える明確な光子過剰を生じるか？
• RQ4 どの実験室実験が、本シナリオで予測されるaxion-like粒子を最も感度良く検出できるか？
• RQ5 源の赤方偏移と固有スペクトルカットオフエネルギーが、混合特徴の検出可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 異なる磁場環境を経由する光子-ALP混合により、明確なスペクトルエネルギーの周期的変動が予測された。
• 20 TeVを超えるエネルギー領域で、CTA や HAWC などの高エネルギーガンマ線機器で観測可能な明確な光子過剰が予測された。
• z = 0.6 を含むさまざまな源の赤方偏移においても、予測されたスペクトル的特徴は安定しており、検出可能性が向上した。
• LHAASO、GAMMA 400、HERD、TAIGA-HiSCORE などの今後の観測施設でも、このモデルの予測は検証可能である。
• 本シナリオにおけるaxion-like粒子は、ALPS II（DESYでアップグレード予定）や計画中の IAXO、STAX 実験など、専用の実験室実験で検出可能である。
• 新しい銀河間磁場モデルの導入により、光子-ALP混合フレームワークの現実性と予測力が向上した。