[논문 리뷰] Interpretation of multi-TeV photons from GRB221009A

Ali Baktash, D. Horns외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 13.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 은하간 배경 빛(Electro-Weak Background Light, EBL) 흡수로 인해 표준 감마선 전파 모델에서 극도로 높은 광학 두께를 보이는 18 TeV 감마선을 GRB221009A에서 관측한 원인을 조사한다. 광자-ALP 혼합 또는 로렌츠 불변 위반(Lorentz Invariance Violation, LIV)이 쌍생성 억제를 통해 이러한 고에너지 광자가 지구에 도달하는 데 기여할 수 있음을 제안하지만, 필요한 결합 강도나 에너지 척도는 혼합이 소스 근처에서 발생하거나 LIV 척도가 매우 낮지 않으면 기존 천체물리학적 제약과 충돌한다.

ABSTRACT

The nearby GRB221009A at redshift $z=0.1505$ has been observed up to a maximum energy of 18 TeV with the LHAASO air shower array. The expected optical depth for a photon with energy $E_γ=18$ TeV varies between 9.4 and 27.1 according to existing models of the extra-galactic background light (EBL) in the relevant mid infra-red range. The resulting suppression of the flux in several (but not all) EBL models makes it for these EBL models unlikely that this photon could have been observed at the claimed energy. If the photon event and its energy are confirmed and possibly even more photons above 10 TeV have been observed, the photon-pair production process would have to be suppressed by mechanisms predicted in extensions of the Standard Model of particle physics. We consider the possibilities of photon mixing with a light pseudo-scalar (e.g., axion-like particles; ALPs) in the magnetic field of the host galaxy and the Milky Way and Lorentz invariance violation (LIV). In the case of photon-ALP mixing, the boost factor would reach values $\sim10^6$ for photon couplings not ruled out by the CAST experiment, but limited by other astrophysical constraints. Viable scenarios would require either very efficient mixing in or near to the GRB or that the largest part of the total luminosity is radiated at TeV energies, different from previous GRB afterglows. In the case of LIV, required boost factors are achievable for a LIV breaking energy scale $\lesssim 2 imes 10^{29}$~eV ($\lesssim 4 imes 10^{21}$~eV) for the linear (quadratic) modification of the dispersion relation. A more simple explanation would be a misidentification of a charged cosmic-ray air shower.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델에서 은하간 배경 빛(EBL) 흡수로 인해 극도로 높은 광학 두께를 보이는 18 TeV 감마선이 GRB221009A에서 관측된 이유를 설명하는 것.
• 광자-ALP 혼합 또는 로렌츠 불변 위반(LIV)이 쌍생성을 억제하고 이러한 고에너지 감마선이 지구에 도달할 수 있도록 하는지 평가하는 것.
• 관측된 감마선 에너지와 광도가 다른 관측에서의 천체물리학적 제약과 일치하는지 평가하는 것.
• 고에너지 신호가 실제로는 잘못 식별된 고에너지 빛입자 대기 폭발일 수 있으며, 더 단순한 설명을 제공하는지 고려하는 것.

제안 방법

• 저자들은 여러 EBL 모델을 사용하여 18 TeV 감마선의 EBL 유도 광학 두께를 계산하여 9.4에서 27.1 사이의 값을 도출한다.
• 은하 및 간성 자기장 내에서 광자-ALP 혼합을 모델링하고, 약 10^6의 증폭 요인을 달성하기 위한 필수 결합 강도 $ g_{a\gamma} $ 를 유도한다.
• 수정된 분산 관계를 통한 로렌츠 불변 위반(LIV) 분석을 수행하고, 선형 및 이차 LIV 항에 대한 필요 에너지 척도 $ M_1 $ 및 $ M_2 $ 를 계산한다.
• Swift-XRT 후광 광도 곡선을 프록시로 사용하여 GRB221009A의 예상 VHE 후광 광도를 LHAASO 관측과 비교하고, 정규화 요소 $ \zeta $ 를 변화시킨다.
• 예상되는 $ g_{a\gamma} $ 와 $ M $ 값이 CAST 및 기타 자료에서의 기존 천체물리학적 제약과 일치하는지 평가한다.
• 18 TeV 이벤트가 잘못 식별된 빛입자 대기 폭발일 가능성에 대해 배경 기대치를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB221009A에서 관측된 18 TeV 감마선은 표준 EBL 흡수 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 이에 따른 광학 두께가 너무 높아서 이러한 관측이 불가능한가?
• RQ2 쌍생성을 억제하고 18 TeV 감마선이 생존할 수 있도록 하기 위해 필요한 광자-ALP 결합 강도 $ g_{a\gamma} $ 는 얼마이며, 이는 기존의 천체물리학적 제약과 일치하는가?
• RQ3 감마선 투과도를 감소시키기 위해 필요한 로렌츠 불변 위반(LIV)의 에너지 척도 $ M $ 는 얼마이며, 이는 관측 제약과 호환되는가?
• RQ4 X선 후광 광도 곡선을 정규화 요소 $ \zeta $ 를 통해 모델링한 VHE 후광의 시간적 행동이, 500 GeV 이상의 LHAASO 감마선 수를 재현하는가?
• RQ5 배경 빈도를 고려할 때, 18 TeV 이벤트가 잘못 식별된 고에너지 빛입자 대기 폭발일 가능성은 있는가?

주요 결과

• EBL 모델에 따라 18 TeV 감마선의 광학 두께는 9.4에서 27.1 사이이며, 이는 표준 물리학 하에서 관측 확률가 최소 $ 7 \times 10^{-9} $ 수준으로 매우 낮아 관측가능성이 매우 떨어진다.
• 약 10^6의 증폭 요인을 달성하기 위해 $ g_{a\gamma} \gtrsim 6 \times 10^{-12}~\mathrm{GeV}^{-1} $ 의 결합 강도가 필요하지만, 이 값은 CAST 및 기타 천체물리학 관측에서의 제약과 충돌한다.
• ALP 혼합이 타당하려면 매우 효율적인 혼합이 소스 근처에서 일어나야 하거나, 일반적인 GRB 후광과는 다를 바 있는 주로 테바 빛의 방출 성분이 필요하다.
• 선형 분산 관계를 가진 LIV의 경우 $ M_1 \lesssim 2 \times 10^{29}~\mathrm{eV} $ 가 필요하며, 일부 제약과 호환되지만, 이차 LIV의 경우 $ M_2 \lesssim 4 \times 10^{21}~\mathrm{eV} $ 가 필요하여 상대적으로 타당성이 떨어진다.
• 18 TeV에서 잘못 식별된 고에너지 빛입자 대기 폭발이 관측될 확률는 관측된 이벤트와 일치하며, 더 단순하고 전통적인 설명을 제공한다.
• 이러한 고에너지 감마선의 관측는 새로운 물리학, 예를 들어 ALP 혼합이나 LIV가 작용할 경우 비정상적인 투과도를 암시할 수 있으며, 새로운 발견으로 이어질 수 있다.