[论文解读] Axion mechanism of Sun luminosity and TSI variations: light shining through the solar radiation zone

V. D. Rusov, E. P. Linnik+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 51被引用 1

一句话总结

本文提出，太阳核心产生的轴子样粒子在较差对流层（tachocline）的磁场中会转化为高能光子，从而驱动太阳光度和总太阳辐照度（TSI）的变化。该研究推导出光子-轴子耦合强度为 $ g_{a\gamma} = 7.2 \times 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $，轴子质量为 $ m_a \sim 10^{-5} \, \text{eV} $，与现有约束一致。

ABSTRACT

It is shown that the hypothesis of the axion mechanism of Sun luminosity suggesting that the solar axion-like 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, directly cause the Sun luminosity and total solar irradiance (TSI) 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 (gaγ = 7.2 · 10−11GeV −1) and the axion-like particle mass (ma ∼ 10−5eV) have been obtained. It is also shown that the claimed axion parameters do not contradict any known experimental and theoretical model-independent limitations. 1

研究动机与目标

• 研究轴子机制作为太阳光度和TSI变化来源的物理相关性。
• 确定太阳核心产生的轴子样粒子是否可通过较差对流层中的磁场有效转化为γ光子。
• 基于观测到的太阳辐照度变化，估算轴子-光子耦合常数和轴子质量。
• 检验推导出的轴子参数是否满足模型无关的实验与理论约束。

提出的方法

• 在较差对流层的磁场中，通过Primakoff效应建模太阳轴子样粒子向光子的转换。
• 利用太阳对流层过渡区的磁场结构与空间分布，计算轴子到光子转换的效率。
• 应用轴子-光子耦合相互作用的拉格朗日量，推导转换速率及相应的γ射线通量。
• 将轴子转换导致的预测TSI和光度变化与观测到的太阳活动周期进行比较。
• 利用太阳辐照度变化的观测约束，推断轴子-光子耦合强度与轴子质量。
• 将推导出的参数与天体物理和实验室实验中的已知模型无关限制进行交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳核心产生的轴子样粒子是否能在较差对流层的磁场中被高效地转化为光子？
• RQ2 轴子转换产生的γ光子是否能解释观测到的太阳光度与TSI变化？
• RQ3 基于太阳辐照度数据，对轴子-光子耦合常数与轴子质量的约束是什么？
• RQ4 推导出的轴子参数是否与现有实验与理论限制一致？
• RQ5 轴子机制是否能为太阳的活跃态与宁静态提供物理解释？

主要发现

• 太阳光度变化的轴子机制具有物理相关性，轴子样粒子在较差对流层磁场中转化为光子。
• 推导出的轴子-光子耦合常数为 $ g_{a\gamma} = 7.2 \times 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $，与观测约束一致。
• 轴子样粒子质量估计为 $ m_a \sim 10^{-5} \, \text{eV} $，处于当前限制允许的范围内。
• 由轴子起源的γ光子强度变化，由较差对流层磁场涨落驱动，可直接解释TSI与光度变化。
• 所提出的轴子参数不与任何已知的模型无关实验或理论约束矛盾。
• 该机制通过较差对流层磁场强度的变化，自然解释了太阳的活跃态与宁静态。