[論文レビュー] Search for the imprint of axion-like particles in the highest-energy photons of hard $\gamma$-ray blazars

R. Buehler, Galo Gallardo+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、80か月間のFermi-LATデータを用いて、高エネルギーγ線ブルーザーからの最高エネルギー光子におけるaxion-like粒子（ALPs）の兆候を探索した。最高エネルギー光子のエネルギー分布を分析し、宇宙空間に存在する磁場中での光子-ALP混合を含む理論的モデルと観測スペクトルを比較した結果、ALP効果の証拠は得られず、厳密な制限が得られた：1 nGの宇宙空間磁場を仮定した場合、ALP質量が3.0 neV未満の領域では、光子-ALP結合定数が10⁻¹¹ GeV⁻¹を超えるものは除外された。

ABSTRACT

Axion-like particles (ALPs), predicted in theories beyond the Standard Model, can have observational effects on the transparency of the Universe to γ rays in the presence of magnetic fields. In this work, we search for effects compatible with the existence of ALPs with 80 months of data from the Fermi Large Area Telescope, by comparing the distributions of observed highest energy photons from sources beyond redshifts of z ≥ 0.1 with theoretical predictions in the presence of ALPs. We find no evidence for an increased γ-ray transparency due to ALPs and therefore we set limits on the ALPs parameters assuming a value of the intergalactic magnetic field strength of 1 nG. Photon-ALP couplings above $10^{−11}$ $GeV^{−1}$ are excluded for ALP masses $m_a$ ≲ 3.0 neV . As the allowed magnetic field parameter space is large, we also test lower magnetic field strengths and no constraints can be set for B≤0.1 nG below the CAST limit. These constraints exclude a region of the parameter space not covered by other $γ$-ray telescopes and are compatible with limits imposed by other experiments.

研究の動機と目的

• 宇宙空間を通過する高エネルギーγ線光子に及ぼすaxion-like粒子（ALPs）の存在を、その潜在的影響を通じて検証すること。
• 宇宙空間に存在する磁場中での光子-ALP混合が、遠方ブルーザーからの最高エネルギー光子の観測スペクトルをどのように変化させるかを調査すること。
• Fermi Large Area Telescopeの観測データを用いて、ALP-光子結合定数と質量のパラメータ空間を制限すること。
• 他のγ線望遠鏡やアストロパラティクル実験が十分にカバーしていないパラメータ空間領域において、ALPパラメータの既存の制限を改善すること。
• 宇宙空間磁場がγ線透過率に与える影響、およびALP誘発スペクトルの硬化や不規則性の検出可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• Fermi衛星搭載のFermi-LAT機器が得た80か月間の高エネルギー光子データを用いる。
• 与えられた時間間隔内に、各天体の光度曲線における最高エネルギー光子（HEP）イベントを主観測対象とする。
• ALP効果あり・なしのシミュレートされたHEPエネルギー分布を比較する最大尤度解析を実施する。
• 有効ラグランジアン結合を用いて宇宙空間媒質（IGMF）内での光子-ALP混合をモデル化する：$ \mathcal{L}_{a\gamma} = -g_{a\gamma} F_{\mu\nu} \tilde{F}^{\mu\nu} a $、ここで$ g_{a\gamma} $は結合定数である。
• IGMF中を通過する光子の生存確率を、臨界エネルギーの式を用いて計算する：$ E_c \sim 2.5 \cdot \frac{|m_a^2 - \omega_{pl}^2|}{g_{11} B_T} $、ここで$ g_{11} = g_{a\gamma}/10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $、$ B_T $はμG単位。
• 基準とする宇宙空間磁場強度を1 nGと仮定し、より低い値（≤0.1 nG）を用いて制限の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空間媒質内での光子-ALP混合が、γ線透過率の向上を引き起こす証拠はあるか？
• RQ2 高赤方偏移ブルーザーからの最高エネルギー光子の観測分布は、ALP誘発スペクトルの硬化や不規則性によって説明可能か？
• RQ3 Fermi-LATデータと1 nGのIGMFを仮定した場合、光子-ALP結合定数$ g_{a\gamma} $とALP質量$ m_a $の制限は何か？
• RQ4 宇宙空間磁場強度が低い（例：≤0.1 nG）仮定下で制限はどのように変化するか？また、それらは物理的に意味を持つものか？
• RQ5 観測されたHEP分布は、標準的なEBL減衰モデルとは異なり、ALP振動と整合するようなずれを示しているか？

主な発見

• 宇宙空間媒質内での光子-ALP混合に顕著な証拠は得られず、標準的なEBL減衰を超える高エネルギー光子流量の過剰は認められなかった。
• 宇宙空間磁場強度が1 nGの場合、ALP質量が3.0 neV未満の領域では、光子-ALP結合定数が10⁻¹¹ GeV⁻¹を超えるものは除外された。
• この制限は、他のγ線望遠鏡や実験が以前にカバーしていないALPパラメータ空間の領域をカバーしている。
• 宇宙空間磁場強度が≤0.1 nGの場合、CASTの限界に達しないため、有意義な制限は得られず、この領域では感度が不足していた。
• 源のパラメータや磁場の幾何的配置の不確実性に対しても、分析は頑健であり、源内またはジェット領域での潜在的混合効果は結果に10%〜30%の変化をもたらすと推定された。
• 他の実験からの既存の制限と整合しており、得られた制限の信頼性が裏付けられた。