[論文レビュー] Bending of light in axion backgrounds

Jamie I. McDonald, Luís B. Ventura|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、完全な波動光学的解法を用いてaxion背景における光の屈折を調査し、光軸から離れた光線では幾何光学が成立せず、屈折が O(g_{a\gamma\gamma}) に比例するのに対し、幾何光学の補正項は O(g_{a\gamma\gamma}^2) に比例することを示している。一方、十分に大きなプラズマ質量がある場合には、幾何光学がすべての光線に対して成立し、axionレンズ効果の研究において完全な波動的取り扱いが不可欠であることが示唆される。

ABSTRACT

In this work we examine refraction of light by computing full solutions to axion electrodynamics. We also allow for the possibility of an additional plasma component. We then specialise to wavelengths which are small compared to background scales to determine if refraction can be described by geometric optics. We also allow for the possibility of an additional plasma component. In the absence of plasma, for small incidence angles relative to the optical axis, axion electrodynamics and geometric optics are in good agreement, with refraction occurring at $\mathcal{O}(g_{a γγ}^2)$. However, for rays which lie far from the optical axis, the agreement with geometric optics breaks down and the dominant refraction requires a full wave-optical treatment, occurring at $\mathcal{O}(g_{a γγ})$. In the presence of sufficiently large plasma masses, the wave-like nature of light becomes suppressed and geometric optics is in good agreement with the full theory for all rays. Our results therefore suggest the necessity of a more comprehensive study of lensing and ray-tracing in axion backgrounds, including a full account of the novel $\mathcal{O}(g_{a γγ})$ wave-optical contribution to refraction.

研究の動機と目的

• 光軸に沿わない光線についても、幾何光学がaxion背景における光の屈折を正確に記述できるかどうかを特定すること。
• プラズマが波動的効果を抑制し、幾何光学の有効性を回復させる役割を評価すること。
• O(g_{a\gamma\gamma}) の波動光学的屈折が O(g_{a\gamma\gamma}^2) の幾何光学的補正項よりも支配的となる条件を同定すること。
• 偏光依存効果を含めた、axion背景における光の屈折の完全な波動光学的取り扱いを提供すること。

提案手法

• axion電磁力学の運動方程式を、axion-光子結合項 L_{a\gamma\gamma} = -g_{a\gamma\gamma}a F_{\mu\nu} \tilde{F}^{\mu\nu}/4 を含めて正確に解く。
• 背景屈折率効果をモデル化するため、非衝突性プラズマ成分を導入する。
• アイコナル近似と摂動論を用いて、Poyntingフラックスおよび光線軌道に対する g_{a\gamma\gamma} の1次補正を計算する。
• 散乱Poyntingフラックスの角度依存性を単純化するため、参照系内で時間に依存する回転を導入する。
• 全出射Poyntingフラックスベクトルの三角関数的分解を用いて屈折角を計算する。
• axion質量 m_a を小さい量として展開し、時間に依存する屈折の主要項（O(g_{a\gamma\gamma})）を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何光学は、特に光軸から離れた光線についても、axion背景における光の屈折を正確に記述できるか？
• RQ2 波動光学的取り扱いにおける O(g_{a\gamma\gamma}) の屈折の起源と大きさは何か？ そして幾何光学の予測とはどのように異なるか？
• RQ3 プラズマ背景の存在が波動的効果をどのように抑制し、幾何光学との一致を回復させるか？
• RQ4 時間に依存する屈折角は観測可能か？ また、axion質量および入射角にどのように依存するか？
• RQ5 O(g_{a\gamma\gamma}) の屈折がaxionレンズ効果および天体物理学的環境における光線追跡に与える影響は何か？

主な発見

• 光軸に近い光線では、幾何光学は O(g_{a\gamma\gamma}^2) でaxion電磁力学と一致し、以前の結果を確認する。
• 光軸から離れた光線では、幾何光学が破綻し、波動的効果が支配的となり、屈折は O(g_{a\gamma\gamma}^2) ではなく O(g_{a\gamma\gamma}) に比例する。
• 屈折角は時間に依存し、axion質量 m_a に比例する周波数で振動し、sin(m_a t) に比例するため、時間に依存する偏光が生じる。
• 十分に大きなプラズマ質量がある場合には、波動的効果が抑制され、すべての光線方向で幾何光学が成立する。
• 主項の屈折角は、sinθ_ref ≃ (g_{a\gamma\gamma}/2) (m_a^3 / |p|^2) (tan^3 θ_i / cos θ_i) ψ̃(0) sin(m_a t) で与えられ、明示的に O(g_{a\gamma\gamma}) 依存性が示されている。