[論文レビュー] Observability of the very-high-energy emission from GRB 221009A

Giorgio Galanti, Lara Nava+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、質量 $ m_a \sim 10^{-10} \,\text{eV} $ および光子結合定数 $ g_{a\gamma\gamma} \sim 4 \times 10^{-12} \,\text{GeV}^{-1} $ を持つ軸子様粒子（ALPs）が、GRB 221009A から観測された非常に高エネルギー（VHE）光子、特に LHAASO が検出した最大18 TeVの光子および Carpet-2 が報告した251 TeVの候補光子を説明すると提案している。ALPs は光子-ALP 違いの過程を介して、銀河間空間におけるEBLによる光子の減衰を抑制し、宇宙論的距離を越えて高エネルギー発光を観測可能にする。

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.

研究の動機と目的

• GRB 221009A から18 TeVに達するVHE光子が観測された現象を、赤方偏移 $ z = 0.151 $ の下で強い銀河間背景光（EBL）による減衰が予想される中で、標準的物理法則では極めて不確実であることを説明すること。
• LHAASOの観測とは整合しない標準的EBL吸収モデルに反する、Carpet-2が報告した251 TeVの光子を説明する課題に対処すること。
• 宇宙論的距離を越えて光子の減衰を抑制する可能性を有する軸子様粒子（ALPs）を提示すること。
• 提案されたALPパラメータが、既存の天体物理学的および実験的制約と整合していることを保証すること。
• Lorentz不変性破れ（LIV）などの代替説明と区別すること。LIVはLHAASOのデータを説明できない。

提案手法

• LHAASOのスペクトル解析に整合するSaldana-Lopez EBLモデル（SL EBL）を用いて、GRB 221009A からの光子が銀河間媒体を通る際の伝播をモデル化する。
• 光子の生存確率 $ P_{\text{CP}}({\cal E}) $ を $ \tau_{\text{CP}}({\cal E}) $ を用いて計算し、約10 TeV以上で極めて顕著に抑制されることを示す。
• 効果的ハミルトニアン $ H_{\text{eff}} $ を用いて、ALP媒介の光子-ALP 違いの過程を導入し、混合角 $ \theta $ およびエネルギー依存の振動波長 $ l_{\text{osc}} $ を含む。
• 外部磁場 $ B_{\text{ext}} = 1 \,\text{nG} $ を仮定したもとで、有効的な光学的厚さ $ \tau_{\text{ALP}}({\cal E}) $ およびALP存在下での生存確率 $ P_{\text{ALP}}({\cal E}; \gamma \to \gamma) $ を計算する。
• 光子の偏光状態を記述し、ALP 違い過程を通じた時間発展を追跡するために、密度行列 $ \rho_x, \rho_z, \rho_{\text{unp}} $ を用いる。
• ALP質量 $ m_a $ および結合定数 $ g_{a\gamma\gamma} $ を変化させ、予測された生存確率をLHAASOおよびCarpet-2のデータと比較し、観測と整合するパラメータ領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 $ z = 0.151 $ の下で、極めて強いEBL減衰が予想される中、18 TeVのVHE光子が観測されたことを、軸子様粒子（ALPs）が説明できるか。
• RQ2 観測されたLHAASOおよびCarpet-2の光子フラックスを再現するために、必要なALPパラメータ（質量 $ m_a $、結合定数 $ g_{a\gamma\gamma} $）は何か。
• RQ3 Carpet-2が報告した251 TeVの光子候補は、ALP媒介の光子生存と整合するか、それとも代替の物理学的説明を要するか。
• RQ4 Lorentz不変性破れ（LIV）は、Carpet-2の結果を説明できるが、LHAASOの観測と両立可能か。
• RQ5 提案されたALPパラメータは、CAST、磁場を有する白色矮星の偏光、H1821+643の観測など、既存の天体物理学的および実験的制約と整合するか。

主な発見

• 18 TeVにおける標準的光子生存確率は $ P_{\text{CP}}(18 \,\text{TeV}) = 1 \times 10^{-8} $ であり、新物理がなければLHAASOの観測は極めて不確実である。
• 251 TeVの光子における生存確率は $ P_{\text{CP}}(251 \,\text{TeV}) \sim 0 $ であり、標準的物理法則の下ではCarpet-2の観測は不可能である。
• 質量 $ m_a = 10^{-10} \,\text{eV} $ および結合定数 $ g_{a\gamma\gamma} = 4 \times 10^{-12} \,\text{GeV}^{-1} $ の場合、ALP媒介の生存確率は18 TeVで $ P_{\text{ALP}} \sim 10^{-2} $ に達し、LHAASOの観測が妥当であることを示す。
• 同じALPパラメータで251 TeVにおける生存確率は $ P_{\text{ALP}} \sim 10^{-3} $ に達し、Carpet-2の候補事象を説明する有効なメカニズムを提供する。
• Lorentz不変性破れ（LIV）はCarpet-2の結果を説明できるが、LHAASOの観測データを説明できない。LHAASOが高精度で測定した低エネルギー帯でのフラックス抑制が予想されるためである。
• 提案されたALPパラメータは、CAST、磁場を有する白色矮星の偏光、H1821+643の観測など、すべての既存の制約と整合しており、冷たい暗黒物質候補としても妥当である。