[論文レビュー] Spectral modulation of non-Galactic plane Gamma-ray pulsars due to photon-ALPs mixing in Galactic magnetic field

Jhilik Majumdar, Francesca Calore+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、銀河磁場内における光子-軸子様粒子（ALP）混合が、銀河平面外のガンマ線パルサーにおけるスペクトル歪みのメカニズムである可能性を検討する。9年間のFermi-LAT Pass 8データを用いて、光子-ALP振動に起因するエネルギー依存性のフラックス抑制をモデル化したところ、PSR J0030+0451においてスペクトル歪みの有意水準は3.66σに達し、12個のパルサー全体で $ g_{\alpha\gamma\gamma} = 14.12 \times 10^{-11}\ \text{GeV}^{-1} $ および $ m_\alpha = 2.23\ \text{neV} $ の最良適合パラメータが得られた。これらの結果は、採用した銀河磁場モデルに強く依存している。

ABSTRACT

In many approaches to describe physics beyond the standard model, light Nambu-Goldstone bosons (named axion-like particles or ALPS for their similarity with the axion) are predicted to exist. For ALPs with a mass of neV, photon-ALPs oscillation takes place in extra-galactic magnetic fields during the propagation of very high energy gamma-ray photons leading to excess radiation observed for optically thick sources. In order to verify this effect, gamma-ray spectra from strong Galactic plane or non-galactic plane sources can be used and the photon-ALPs mixing would lead to an energy dependent suppression of the observed gamma-ray spectra. Here, we have used Fermi-LAT observations of a sample of non Galactic plane gamma-ray pulsars located at different line-of-sights to search for spectral signatures and compare the result with the predictions using particular models for the Galactic magnetic field.We find consistent evidence with our prevoius analysis of objects located in the Galactic plane for a modulation of the spectra investigated at the level of 3.66 standard deviations . In the framework of ALPS-photon oscillation, the resulting parameters strongly depend upon the chosen magnetic field model, but seem to be within reach of new experiments(e.g. IAXO).

研究の動機と目的

• 銀河磁場内での光子-ALP混合が引き起こす非銀河平面ガンマ線パルサーにおけるスペクトル歪みの探索。
• Fermi-LAT Pass 8データを用いた光子-ALP結合定数 $ g_{\alpha\gamma\gamma} $ およびALP質量 $ m_\alpha $ の制約。
• 観測されたスペクトル歪みの有意水準を評価し、ALP振動モデルとの整合性を検証。
• 推定されたALPパラメータが銀河磁場モデルの選択にどの程度依存するかを定量化。

提案手法

• P8R2_SOURCE_V6機器応答関数を用いた9年間のFermi-LAT Pass 8データの分析。
• 12個の明るいパルサー（銀経度>10°）のスペクトルモデリングを、指数的カットオフを伴うパワー・レイの形で実施。バーラパルサーを系統誤差の基準として使用。
• Velaパルサーの良好に測定されたスペクトルから導出されたエネルギー分散行列および系統誤差（2.4%のフラックス誤差）を組み込み。
• フラックス抑制をモデル化するため、光子-ALP振動確率式 $ P_{\gamma\rightarrow a} \propto g_{\alpha\gamma\gamma}^2 \left| \int B_{\perp} e^{2\pi i z'/l_0} dz' \right|^2 $ を使用。
• ビン化された尤度最適化と $ \chi^2 $ 最小化を用いて、ALP混合が標準スペクトルモデルよりも優れているかを検証。
• 12個の全パルサーにわたるパラメータ空間スキャンをF検定を用いて実施し、グローバル有意水準を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非銀河平面ガンマ線パルサーで観測されたスペクトルの軟化は、銀河磁場内での光子-ALP混合を示唆するか？
• RQ2 観測されたスペクトル歪みを踏まえた場合、光子-ALP結合定数 $ g_{\alpha\gamma\gamma} $ およびALP質量 $ m_\alpha $ の最良適合値は何か？
• RQ3 選択されたパルサー群全体でALP混合の証拠はどの程度有意か？
• RQ4 推定されたALPパラメータは、仮定された銀河磁場モデルにどの程度依存するか？
• RQ5 スペクトル歪みはALP振動によって一貫して説明可能か？また、$ \chi^2 $ 毎自由度は改善されるか？

主な発見

• PSR J0030+0451では、標準スペクトルモデルからの有意な逸脱が示され、スペクトル歪みの有意水準は3.66σに達した。
• 12個の全パルサーにわたる最良適合光子-ALP結合定数は $ 14.12 \times 10^{-11}\ \text{GeV}^{-1} $、ALP質量は $ 2.23\ \text{neV} $ であった。
• ALP混合を含めた結果、$ \chi^2 $ 毎自由度は約1に改善され、データへの適合度が良好であることが示された。
• PSR J0030+0451において、ALP混合を含めた場合、$ \chi^2 $ は17減少し、その説明力が裏付けられた。
• 結果は銀河磁場モデルの選択に強く依存しており、特に分析で使用されたJansson & Farrar (2012)モデルに顕著に影響を受けていた。
• 得られたALPパラメータは、近い将来の実験（IAXOなど）の感度範囲内にあり、将来的な確認が期待される。