[論文レビュー] Thermomagnetic Ettingshausen-Nernst effect in tachocline and axion mechanism of solar luminosity variations

V. D. Rusov, Maxim Eingorn+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 72被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、太陽のタコクラインにおける熱磁気的エティンゲンザウエル・ナーンスト効果を通じて、太陽の光度変動とaxion-光子変換を結びつける新しいメカニズムを提案する。太陽のコアで生成されたaxionがタコクラインの磁場で再び光子に変換され、その結果生じるガンマ線強度の変動が観測された太陽活動サイクルを直接説明する。モデルは、$ g_{a\gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ および $ m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2} \, \text{eV} $ の一貫した推定値を提示し、既存の実験的・理論的制約と整合している。

ABSTRACT

It is shown that the hypothesis of the axion mechanism for solar luminosity variations suggesting that the solar axion particles are born in the core of the Sun and may be efficiently converted back into $γ$-quanta in the magnetic field of the solar overshoot tachocline is physically relevant. As a result, it is also shown that the intensity variations of the $γ$-quanta of axion origin, induced by the magnetic field variations in the tachocline via the thermomagnetic Ettingshausen-Nernst effect, directly cause the Sun luminosity variations and eventually characterize the active and quiet states of the Sun. Within the framework of this mechanism estimations of the strength of the axion coupling to a photon ($g_{a γ} = 4.4 \cdot 10^{-11} GeV^{-1}$) and the hadronic axion particle mass ($m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2} eV$) have been obtained. It is also shown that the claimed axion parameters do not contradict any known experimental and theoretical model-independent limitations.

研究の動機と目的

• 『壁を通り抜ける光』効果を用いたaxionメカニズムによる太陽光度変動の物理的妥当性を調査すること。
• 観測された太陽活動サイクル（活発状態／静穏状態）を、タコクラインの磁場におけるaxion-光子変換と結びつけること。
• 一貫した理論枠組み内でのaxion-光子結合定数 $ g_{a\gamma} $ およびaxion質量 $ m_a $ の推定を行うこと。
• CAST、ADMX、およびRBFの既知の実験的・理論的制限と照らし合わせ、導出されたaxionパラメータの妥当性を検証すること。

提案手法

• 太陽のタコクラインを、強い磁場下でコアからのaxionがプリマコフ効果により再び光子に変換される領域としてモデル化する。
• 熱勾配および電気的勾配に基づき、タコクラインにおける磁場強度を推定するために熱磁気的エティンゲンザウエル・ナーンスト効果を適用する。
• 一定磁場下における光子-axion振動形式を用い、混合パラメータ $ \Delta_{a\gamma} = \frac{g_{a\gamma} B}{2} $ を組み込み、変換確率を計算する。
• 観測された太陽光度変動にモデルをフィットさせることで、axion結合定数 $ g_{a\gamma} $ および質量 $ m_a $ を導出する。
• CAST、ADMX、およびRBFの制限を含む、モデルに依存しない天体物理学的・実験的制限と照らし合わせて、導出されたパラメータを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽のタコクラインにおける熱磁気的エティンゲンザウエル・ナーンスト効果は、axionから光子への変換の物理的に妥当なメカニズムを提供できるか？
• RQ2 タコクラインの磁場におけるaxion-光子変換は、太陽活動サイクルと整合する光度変動を生じるか？
• RQ3 このメカニズム下で、axion-光子結合定数 $ g_{a\gamma} $ およびaxion質量 $ m_a $ の一貫した推定値は何か？
• RQ4 導出されたaxionパラメータは、既知の実験的・理論的制限を満たしているか？

主な発見

• 『壁を通り抜ける光』効果を介した太陽光度変動のaxionメカニズムは、タコクラインにおける熱磁気的エティンゲンザウエル・ナーンスト効果によって媒介されると、物理的に妥当である。
• モデルはaxion-光子結合定数 $ g_{a\gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ の一貫した推定値を提示する。
• 導出されたaxion質量は $ m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2} \, \text{eV} $ であり、よく動機づけられたコールドダークマターの領域に位置する。
• 推定されたaxionパラメータは、CAST、ADMX、およびRBF実験のモデルに依存しない実験的制限と整合している。
• axion変換に起因するガンマ線量子の強度変動は、太陽活動状態と直接相関しており、観測された光度サイクルを説明できる。
• Yohkoh X線画像における太陽円盤縁付近の強度増強は、本質的な太陽放射ではなく、幾何的投影のアーチファクトであるとモデルが説明できる。