[论文解读] Assessment of ALP scenarios for GRB 221009A

Giorgio Galanti, M. Roncadelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本文评估了轴子样态粒子（ALP）模型，以解释GRB 221009A产生的极端高能伽马射线辐射，该辐射分别由LHAASO和Carpet-2探测到18 TeV和251 TeV的能量。通过在银河系磁场中建模光子-ALP转换，并以GRB 190114C作为光谱和时间行为的参考，发现所有提出的ALP模型均因与ALP耦合常数或磁场结构的观测约束相冲突而失败。

ABSTRACT

About one month after the revolutionary discovery of the Gamma Ray Burst (GRB) GRB 221009A and intense theoretical efforts to explain its detection, time seems to us ripe to make an assessment of the axion-like particle (ALP) based scenarios, since it is a common belief that conventional physics would have prevented such a detection. We overcome the almost complete lack of information -- so far only astronomical telegrams have been released -- by relying as much as possible upon the analogy with the emission from the GRB 190114C detected by the MAGIC collaboration in 2019, since it was the highest energy GRB detected before and for a time lapse similar to that over which GRB 221009A has been observed.

研究动机与目标

• 评估轴子样态粒子（ALP）模型在解释GRB 221009A中探测到251 TeV光子的可行性。
• 应对河外背景光（EBL）衰减带来的挑战，该衰减在如此高能量下会严重抑制光子的存活概率。
• 以GRB 190114C作为基准，因其具有相似的观测窗口和高能辐射特性。
• 检验银河系磁场中ALP介导的光子-ALP转换是否能调和观测通量与理论预期之间的差异。
• 评估所提出的ALP模型与现有天体物理约束的一致性，特别是关于ALP耦合常数和磁场形态的约束。

提出的方法

• 使用经典物理中的光子存活概率公式，$ P_{\rm CP}({\cal E}) = e^{-\tau_{\rm CP}({\cal E})} $，其中 $ \tau_{\rm CP} $ 由Franceschini-Rodighiero EBL模型推导得出。
• 应用ALP介导的光子-ALP转换框架，即光子在磁场中转换为ALP，从而避免EBL衰减，并在观测者视线方向重新转换为光子。
• 使用有效拉格朗日量 $ \mathcal{L}_{\rm int} \propto g_{a\gamma\gamma} a F \tilde{F} $ 建模ALP转换概率，其中 $ g_{a\gamma\gamma} $ 为耦合常数。
• 将LHAASO和Carpet-2探测到的通量与假设在TeV能量范围内为幂律谱的Fermi/LAT通量外推结果进行比较。
• 基于银河系类太阳系的宿主星系磁场和喷流磁场，评估ALP模型，测试其与磁化白矮星观测结果的一致性。
• 评估Jansson-Farrar磁场模型的可行性，发现其无法支持足够高的转换效率以产生可观测通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 ALP介导的光子-ALP转换能否解释GRB 221009A中251 TeV光子的探测？
• RQ2 假设在宿主星系磁场中发生转换，所观测到的高能通量是否与ALP模型一致？
• RQ3 所提出模型中所需的ALP耦合常数 $ g_{a\gamma\gamma} $ 是否超过磁化白矮星观测所得的上限？
• RQ4 GRB 221009A的时间和光谱行为是否与用作对比基准的GRB 190114C一致？
• RQ5 Jansson-Farrar湍流磁场模型能否支持足够高的光子-ALP转换效率以解释观测到的通量？

主要发现

• 在251 TeV能量下，经典物理的光子存活概率为 $ P_{\rm CP} \simeq e^{-15000} $，若无新物理机制介入，探测将不可能实现。
• grtClu提出的ALP模型（$ m_{\rm ALP} \simeq 10^{-10} \, \text{eV} $）虽为暗物质候选者，但因耦合强度不物理而失败。
• messicani提出的模型被排除，因其要求的 $ g_{a\gamma\gamma} $ 值超过磁化白矮星观测所得的上限。
• carenzamarsh提出的模型被证伪，因其为解释LHAASO探测到的18 TeV辐射，需 $ g_{a\gamma\gamma} $ 值超出白矮星约束范围。
• Jansson-Farrar磁场模型无法支持足够高的光子-ALP转换效率，因此无法解释观测结果。
• 将Fermi/LAT通量外推至251 TeV在物理上不现实，如GRB 190114C所示，其光谱峰值源于逆康普顿辐射。