[論文レビュー] Searches for Axionlike Particles Using $\gamma$-RayObservations

M. Meyer|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 74被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、外部の電磁場における光子混合を含め、天体物理学的ガンマ線観測を用いたアクシオン様粒子（ALPs）の探索をレビューする。現在の制約と今後の感度について提示し、ALPsが宇宙のガンマ線透過率を変える可能性があることを強調し、標準模型を超える新しい物理およびダークマターの主要なプローブを提供する。

ABSTRACT

Axionlike particles (ALPs) are a common prediction of theories beyond the Standard Model of particle physics that could explain the entirety of the cold dark matter. These particles could be detected through their mixing with photons in external electromagnetic fields. Here, we provide a short review over ALP searches that utilize astrophysical $\gamma$-ray observations. We summarize current bounds as well as future sensitivities and discuss the possibility that ALPs alter the $\gamma$-ray opacity of the Universe.

研究の動機と目的

• 天体物理学的ガンマ線観測がアクシオン様粒子（ALPs）の探索にどのように用いられているかをレビューし統合する。
• ガンマ線データから得られたALP-光子結合定数およびALP質量に関する既存の実験的制約を要約する。
• 今後のガンマ線ミッションがALPsに対する感度をどの程度向上させられるかを評価する。
• ALPsが高エネルギーガンマ線に対する宇宙の光学的厚さにどのように影響を与えるかを調査する。

提案手法

• ブレーザーや活動銀河核などの天体的源からのガンマ線スペクトルの分析。
• 外部磁場内での光子-ALP混合の量子電磁力学的プロセスの適用。
• 観測されたガンマ線スペクトルを用いて、ALP-光子結合定数およびALP質量の制約を求める。
• 理論的予測のガンマ線透過率と観測されたスペクトルカットオフの比較。
• 銀河間磁場モデルを組み合わせ、ALPに起因するガンマ線伝搬への影響を推定する。
• 近い将来のガンマ線望遠鏡および改善されたスペクトルモデリングを用いた今後の感度の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクシオン様粒子は、銀河間空間を通過する高エネルギーガンマ線の伝搬にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ガンマ線データから、現在の観測によって得られているALP-光子結合定数およびALP質量の制約は何か？
• RQ3 今後のガンマ線ミッションは、アクシオン様粒子に対する感度をどの程度向上させられるか？
• RQ4 観測された宇宙のガンマ線透過率は、ALPに起因する光子再生によって説明可能か？
• RQ5 銀河間磁場は、ガンマ線観測によるALPsの検出可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 現在のガンマ線観測は、ALP質量が約10^-3 eV未満の場合、ALP-光子結合定数について競争的な制約を提供している。
• 遠方のブレーザーからの観測されたガンマ線スペクトルは、標準的な伝搬と顕著なずれを示さず、ALP効果を制約している。
• 今後のガンマ線ミッションにより、ALP-光子結合定数に対する感度が最大で2桁向上すると予想される。
• ALPsは、特に銀河間磁場が存在する場合、高エネルギーガンマ線に対する宇宙の有効光学的厚さを顕著に変える可能性がある。
• ALPsが宇宙のガンマ線透過率に寄与している可能性は依然として残っており、標準モデルで説明できないスペクトルカットオフを説明する手がかりを提供する可能性がある。