[논문 리뷰] Spectral modulation of non-Galactic plane Gamma-ray pulsars due to photon-ALPs mixing in Galactic magnetic field

Jhilik Majumdar, Francesca Calore외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 23.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 은하 자기장 내에서 광자-압축형 입자(ALP) 혼합이 은하계 평면 외부의 감마선 펄사에서 스펙트럼 조절을 일으키는 메커니즘으로서의 가능성을 조사한다. 9년 분량의 Fermi-LAT Pass 8 데이터를 사용하여, 저자들은 광자-ALP 진동으로 인한 에너지 의존성 복사율 감소를 모델링하며, PSR J0030+0451에서 스펙트럼 왜곡에 대해 3.66σ의 유의미한 결과를 도출하고, 12개의 펄사에 걸쳐 $ g_{\alpha\gamma\gamma} = 14.12 \times 10^{-11}\ \text{GeV}^{-1} $ 와 $ m_\alpha = 2.23\ \text{neV} $ 의 최적 피팅 파라미터를 확보하였다. 이 결과는 사용된 은하 자기장 모델에 매우 민감하게 의존한다.

ABSTRACT

In many approaches to describe physics beyond the standard model, light Nambu-Goldstone bosons (named axion-like particles or ALPS for their similarity with the axion) are predicted to exist. For ALPs with a mass of neV, photon-ALPs oscillation takes place in extra-galactic magnetic fields during the propagation of very high energy gamma-ray photons leading to excess radiation observed for optically thick sources. In order to verify this effect, gamma-ray spectra from strong Galactic plane or non-galactic plane sources can be used and the photon-ALPs mixing would lead to an energy dependent suppression of the observed gamma-ray spectra. Here, we have used Fermi-LAT observations of a sample of non Galactic plane gamma-ray pulsars located at different line-of-sights to search for spectral signatures and compare the result with the predictions using particular models for the Galactic magnetic field.We find consistent evidence with our prevoius analysis of objects located in the Galactic plane for a modulation of the spectra investigated at the level of 3.66 standard deviations . In the framework of ALPS-photon oscillation, the resulting parameters strongly depend upon the chosen magnetic field model, but seem to be within reach of new experiments(e.g. IAXO).

연구 동기 및 목표

• 은하 자기장 내 광자-ALP 혼합으로 인한 은하계 평면 외부 감마선 펄사의 스펙트럼 왜곡을 탐색하기 위해.
• Fermi-LAT Pass 8 데이터를 사용하여 광자-ALP 결합 상수 $ g_{\alpha\gamma\gamma} $ 와 ALP 질량 $ m_\alpha $ 를 제약하기 위해.
• 관측된 스펙트럼 조절의 유의미성과 ALP 진동 모델과의 일관성을 평가하기 위해.
• 사용된 은하 자기장 모델의 선택에 따라 유추된 ALP 파라미터의 의존도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• P8R2_SOURCE_V6 기구 응답 함수를 사용하여 9년 분량의 Fermi-LAT Pass 8 데이터 분석.
• 은하 위도 >10° 인 12개의 밝은 펄사에 대해 지수적 감쇠가 있는 만능 법칙을 사용한 스펙트럼 모델링으로, Vela 펄사는 체계적 오차 기준으로 사용.
• Vela의 잘 측정된 스펙트럼에서 유도된 에너지 분산 행렬과 체계적 오차(2.4% 복사율 오차)를 통합.
• 복사율 감소를 모델링하기 위해 광자-ALP 진동 확률 공식 $ P_{\gamma\rightarrow a} \propto g_{\alpha\gamma\gamma}^2 \left| \int B_{\perp} e^{2\pi i z'/l_0} dz' \right|^2 $ 의 사용.
• 빈도 기반의 최대우도 최적화와 $ \chi^2 $ 최소화를 통해 ALP 혼합이 표준 스펙트럼 모델 대비 검증하기 위해.
• 모든 12개의 펄사에 걸쳐 F-검정을 사용한 병합 파arameter 공간 스캔을 통해 전반적 유의미성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하계 평면 외부 감마선 펄사에서 관측된 스펙트럼의 부드러움은 은하 자기장 내 광자-ALP 혼합을 나타내는가?
• RQ2 관측된 스펙트럼 왜곡을 고려할 때, 광자-ALP 결합 상수 $ g_{\alpha\gamma\gamma} $ 와 ALP 질량 $ m_\alpha $ 의 최적 피팅 값은 무엇인가?
• RQ3 선택된 펄사 샘플 전반에 걸쳐 ALP 혼합에 대한 증거는 얼마나 유의미한가?
• RQ4 유추된 ALP 파라미터는 가정된 은하 자기장 모델에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 스펙트럼 조절은 ALP 진동 모델로 일관되게 설명될 수 있으며, 이는 $ \chi^2 $ 매도당 자유도를 향상시키는가?

주요 결과

• PSR J0030+0451에서 스펙트럼 조절에 대해 3.66σ의 유의미한 결과를 확보하여 표준 스펙트럼 모델과의 통계적 차이를 시사한다.
• 12개의 펄사 전반에 걸쳐 최적 피팅 광자-ALP 결합 상수는 $ 14.12 \times 10^{-11}\ \text{GeV}^{-1} $ 로, ALP 질량은 $ 2.23\ \text{neV} $ 이다.
• ALP 혼합을 포함함으로써 $ \chi^2 $ 매도당 자유도가 약 1로 개선되어 데이터에 대한 적합도가 양호함을 나타낸다.
• PSR J0030+0451에서 ALP 혼합을 포함했을 때 $ \chi^2 $ 가 17 감소하여 그 설명력이 확인되었다.
• 결과는 사용된 은하 자기장 모델, 특히 분석에서 사용된 Jansson \& Farrar (2012) 모델에 매우 민감하게 의존한다.
• 유추된 ALP 파라미터는 향후 실험인 IAXO의 감도 범위 내에 있어 향후 확인 가능성을 시사한다.