[論文レビュー] Upper limit on the axion-photon coupling from magnetic white dwarf polarization

Christopher Dessert, David I. Dunsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 103被引用数 106

ひとこと要約

本論文は、強力な磁場における光子-アキソン混合を用いて、磁気的白色矮星（MWD）からの線形偏光測定を用いて、アキソン-光子結合定数 $g_{a\gamma\gamma}$ の制約を試みる。これにより、axion質量 $m_a \lesssim 3 \times 10^{-7}\ \text{eV}$ の範囲で、95%信頼水準において、これまでで最も強い上限 $|g_{a\gamma\gamma}| \lesssim 5.4 \times 10^{-12}\ \text{GeV}^{-1}$ を得た。これは、TeVガンマ線透過性の異常をアキソンで説明する仮説に挑戦するものである。

ABSTRACT

Polarization measurements of thermal radiation from magnetic white dwarf (MWD) stars have been proposed as a probe of axion-photon mixing. The radiation leaving the surface of the MWD is unpolarized, but if low-mass axions exist then photons polarized parallel to the direction of the MWD's magnetic field may convert into axions, which induces a linear polarization dependent on the strength of the axion-photon coupling $g_{a\gamma\gamma}$. We model this process by using the formalism of axion-photon mixing in the presence of strong-field vacuum birefringence to show that of all stellar types MWDs are the most promising targets for axion-induced polarization searches. We then consider linear polarization data from multiple MWDs, including SDSS J135141 and Grw+70$^\circ$8247, to show that after rigorously accounting for astrophysical uncertainties the axion-photon coupling is constrained to $|g_{a\gamma\gamma}| \lesssim 5.4 imes 10^{-12}$ GeV$^{-1}$ at 95% confidence for axion masses $m_a \lesssim 3 imes 10^{-7}$ eV. This upper limit puts in tension the previously-suggested explanation of the anomalous transparency of the Universe to TeV gamma-rays in terms of axions. We identify MWD targets for which future data and modeling efforts could further improve the sensitivity to axions.

研究の動機と目的

• 磁気的白色矮星（MWD）からの線形偏光データを用いて、アキソン-光子結合定数 $g_{a\\gamma\\gamma}$ の制約を改善すること。
• 強い磁場における光子-アキソン混合がMWD放射に測定可能な線形偏光を誘導するという仮説を検証すること。
• 磁場の配置や磁気軸の傾きといった、特に重要な天体物理学的不確実性を、結合定数の上限を求める際に厳密に取り入れること。
• 将来のアキソン探索に最適なMWDを特定すること、特にSDSS J135141およびGrw+70°8247を含む。
• TeVガンマ線に対する宇宙の異常な透過性をアキソンで説明する仮説を、結合定数の制約を厳しくすることで挑戦すること。

提案手法

• 真空の双屈折および有効ラグランジアン $\mathcal{L} \propto g_{a\gamma\gamma} a \mathbf{E} \cdot \mathbf{B}$ の形式を用いて、強い磁場におけるアキソン-光子混合をモデル化する。
• 磁場に平行に偏光した光子が観測不能なアキソンに選択的に変換されることによって生じるMWDにおける誘導線形偏光をシミュレートする。
• SDSS J135141およびGrw+70°8247を含む複数のMWDからの観測線形偏光データを用いて、尤度解析により $g_{a\gamma\gamma}$ を制約する。
• 磁場強度、半径、磁気軸の傾きといった、天体物理学的事前分布を慎重に適用し、信頼性の高い95%信頼水準の上限を計算する。
• SN1987A、Fermi-LAT、H.E.S.S.、CAST、IAXOからの既存の制約と比較し、感度と新規性を評価する。
• 誤差伝搬と不確実性の定量化を実施し、磁気軸の傾きが主な天体物理学的不確実性であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的白色矮星の線形偏光測定は、アキソン-光子結合定数 $g_{a\gamma\gamma}$ の制約において競争力のあるものとなるか？
• RQ2 特に磁場の配置や傾きといった天体物理学的不確実性が、$g_{a\gamma\gamma}$ の導出上限にどのように影響を与えるか？
• RQ3 SDSS J135141 や Grw+70°8247 などの異なるMWDの、アキソン誘導偏光に対する感度はどの程度か？また、今後の探索に最適なのはどれか？
• RQ4 新しい制約は、TeVガンマ線に対する宇宙の異常な透過性をアキソンで説明する仮説をどの程度排除するか？
• RQ5 SN1987A や IAXO、水平分岐星の冷却といった他の天体物理学的プローブからの制約と比較して、得られた上限はどのように異なるか？

主な発見

• 本論文は、アキソン-光子結合定数に対して、これまでで最も強い直接的制約を確立した：axion質量 $m_a \lesssim 3 \times 10^{-7}\ \text{eV}$ の範囲で、95%信頼水準において $|g_{a\gamma\gamma}| \lesssim 5.4 \times 10^{-12}\ \text{GeV}^{-1}$ である。
• この制約は、SDSS J135141およびGrw+70°8247の偏光データを厳密に分析し、磁場強度、半径、姿勢に関する慎重な仮定を用いて導出された。
• 天体物理学的不確実性、特に磁場の傾きが誤差予算を支配しており、仮定が異なると上限が顕著に変化する。
• 最良の適合天体物理学的パラメータではより厳しい上限が得られるが、保守的な上限が公に利用する上で最も信頼性が高い。
• 新しい制約により、$g_{a\gamma\gamma} \sim 10^{-12} - 10^{-10}\ \text{GeV}^{-1}$ のアキソンがTeVガンマ線の異常な透過性を説明する可能性は著しく弱まった。
• 本研究は、将来的な偏光観測によって $g_{a\gamma\gamma}$ の感度をさらに高めるために、SDSS J135141およびGrw+70°8247を最適な標的と特定した。