[논문 리뷰] Observability of the very-high-energy emission from GRB 221009A

Giorgio Galanti, Lara Nava외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 9인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 질량 $ m_a \sim 10^{-10} \,\text{eV} $ 와 광자 결합 상수 $ g_{a\gamma\gamma} \sim 4 \times 10^{-12} \,\text{GeV}^{-1} $ 를 갖는 아키온-유사 입자(ALPs)가 GRB 221009A 로부터 관측된 매우 높은 에너지(VHE) 광자를 설명할 수 있다고 제안한다. 이는 LHAASO가 18 TeV까지 검출한 광자와 Carpet-2가 251 TeV 후보 광자를 관측한 것을 포함한다. ALPs는 광자-ALP 진동을 통해 외성간 배경 빛(EBL)에 의한 광자 소멸을 감소시켜, 천체 간 거리에서의 강한 EBL 감쇠에도 불구하고 고에너지 방출이 관측 가능하게 한다.

ABSTRACT

The LHAASO Collaboration detected the gamma ray burst GRB 221009A at energies above 500 GeV with a tail extending up to 18 TeV, whose spectral analysis has presently been performed up to 7 TeV for the lower energy instrument LHAASO-WCDA only, with no indication of a cutoff. Soon thereafter, Carpet-2 at Baksan Neutrino Observatory reported the observation of an air shower consistent with being caused by a photon of energy 251 TeV from the same GRB. Given the source redshift z=0.151, the expected attenuation due to the extragalactic background light is very severe so that these detections have proven very hard to explain. In this Letter, we show that the existence of axionlike particles with mass m_{a}≃(10^{-11}-10^{-7}) eV and two-photon coupling g_{aγγ}≃(3-5)×10^{-12} GeV^{-1} strongly reduce the optical depth of TeV photons, thus explaining the observations. Our ALPs meet all available constraints, are consistent with two previous hints at their existence, and are good candidates for cold dark matter. Moreover, we show that Lorentz invariance violation can explain the Carpet-2 result but not the LHAASO observations.

연구 동기 및 목표

• 기본 물리학 이론에 따르면 외성간 배경 빛(EBL) 감쇠가 매우 강하기 때문에, GRB 221009A 로부터 18 TeV까지의 VHE 광자를 탐지하는 것은 매우 불가능한 일임을 설명한다.
• 표준 EBL 흡수 모델과 부합하지 않는 Carpet-2의 251 TeV 광자 후보 탐지가 제기하는 과제를 다룬다.
• 천체 물리적 거리 동안 광자 소멸을 억제할 수 있는 아키온-유사 입자(ALPs)를 제안한다.
• 기존 천체물리학적 및 실험적 제약 조건과 일치하는 제안된 ALP 파arameter를 확보한다.
• Lorentz 비반전 위반(LIV)과 같은 다른 설명과의 차이를 명확히 하며, LHAASO 데이터를 설명하지 못하는 LIV는 성립하지 않는다는 점을 밝힌다.

제안 방법

• LHAASO의 스펙트럼 분석과 일치하는 Saldana-Lopez EBL 모델(SL EBL)을 사용하여 GRB 221009A 로부터의 광자 전파를 모델링한다.
• 기본 광자 생존 확률 $ P_{\text{CP}}({\cal E}) $ 를 $ \tau_{\text{CP}}({\cal E}) $ 를 사용해 계산하여, 약 10 TeV 이상에서 극도로 감쇠됨을 보여준다.
• 혼합 각도 $ \theta $ 와 에너지 의존성 있는 진동 길이 $ l_{\text{osc}} $ 를 포함한 효과적 해밀토니안 $ H_{\text{eff}} $ 를 통해 ALP 매개 광자-ALP 진동을 도입한다.
• 외부 자기장 $ B_{\text{ext}} = 1 \,\text{nG} $ 를 가정하여, ALPs 존재 시 효과적 광학 깊이 $ \tau_{\text{ALP}}({\cal E}) $ 와 생존 확률 $ P_{\text{ALP}}({\cal E}; \gamma \to \gamma) $ 를 계산한다.
• 광자 편광 상태를 기술하고 ALP 진동 과정에서의 진화를 추적하기 위해 밀도 행렬 $ \rho_x, \rho_z, \rho_{\text{unp}} $ 를 사용한다.
• ALP 질량 $ m_a $ 와 결합 상수 $ g_{a\gamma\gamma} $ 를 변화시키며 예측된 생존 확률을 LHAASO 및 Carpet-2 데이터와 비교하고, 관측과 일치하는 매개변수 영역을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외성간 배경 빛(EBL) 감쇠가 매우 강한 $ z = 0.151 $ 에서도, 아키온-유사 입자(ALPs)가 GRB 221009A 로부터 18 TeV까지의 VHE 광자를 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 LHAASO 및 Carpet-2 광자 플럭스를 재현하기 위해 필요한 ALP 매개변수(질량 $ m_a $, 결합 상수 $ g_{a\gamma\gamma} $)는 무엇인가?
• RQ3 Carpet-2의 251 TeV 광자 후보는 ALP 매개 광자 생존과 일치하는가, 아니면 다른 물리학이 필요한가?
• RQ4 Lorentz 비반전 위반(LIV)은 Carpet-2 결과를 설명할 수 있지만, LHAASO 관측과도 일치하는가?
• RQ5 제안된 ALP 매개변수는 CAST, 자기장이 있는 백색왜성의 편광, H1821+643 관측 등 기존의 천체물리학적 및 실험적 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 18 TeV에서 기본 광자 생존 확률은 $ P_{\text{CP}}(18 \,\text{TeV}) = 1 \times 10^{-8} $ 로 매우 낮아, 새로운 물리학 없이선 LHAASO 탐지가 극도로 불가능하다.
• 251 TeV 광자의 생존 확률은 $ P_{\text{CP}}(251 \,\text{TeV}) \sim 0 $ 로, 표준 물리학 하에서는 Carpet-2 탐지가 불가능하다.
• $ m_a = 10^{-10} \,\text{eV} $ 와 $ g_{a\gamma\gamma} = 4 \times 10^{-12} \,\text{GeV}^{-1} $ 일 때, ALP 매개 생존 확률은 18 TeV에서 $ P_{\text{ALP}} \sim 10^{-2} $ 로 증가하여 LHAASO 관측 결과가 가능하게 된다.
• 동일한 ALP 매개변수로 251 TeV에서 $ P_{\text{ALP}} \sim 10^{-3} $ 의 생존 확률을 얻어 Carpet-2 후보 사건에 대한 타당한 설명이 된다.
• Lorentz 비반전 위반(LIV)은 Carpet-2 결과를 설명할 수 있지만, LHAASO 관측과는 불일치한다. LHAASO는 낮은 에너지에서 높은 의미를 가지므로, LIV는 저에너지에서의 플럭스 감쇠를 초래해 LHAASO 데이터를 설명하지 못한다.
• 제안된 ALP 매개변수는 CAST, 자기장이 있는 백색왜성의 편광, H1821+643 관측 등 모든 기존 제약 조건과 일치하며, 냉각 암흑물질 후보로 타당하다.