[论文解读] 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 5

一句话总结

本文通过全波光学解法研究轴子背景中的光折射，表明对于远离光轴的光线，几何光学失效，折射发生在 O(g_{a\gamma\gamma}) 阶而非 O(g_{a\gamma\gamma}^2) 阶。相比之下，当存在足够大的离子体质量时，几何光学对所有光线均成立，凸显了在轴子透镜研究中采用全波处理的必要性。

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.

研究动机与目标

• 确定几何光学是否能准确描述轴子背景中所有方向光线的折射，特别是远离光轴的光线。
• 评估等离子体在抑制波动效应并恢复几何光学有效性方面的作用。
• 确定 O(g_{a\gamma\gamma}) 阶波动光学折射主导 O(g_{a\gamma\gamma}^2) 阶几何光学修正的条件。
• 提供轴子背景中光折射的完整波动光学处理，包括偏振依赖效应。

提出的方法

• 精确求解包含轴子-光子耦合项 L_{a\gamma\gamma} = -g_{a\gamma\gamma}a F_{\mu\nu} \tilde{F}^{\mu\nu}/4 的轴子电动力学方程，以描述光在轴子背景中的传播。
• 引入无碰撞等离子体组分，以模拟背景折射率效应。
• 使用射线法近似和微扰理论，计算 g_{a\gamma\gamma} 的一阶修正对坡印廷通量和射线轨迹的影响。
• 在参考系中进行时间依赖的旋转，以简化散射坡印廷通量的角向依赖性。
• 通过总出射坡印廷通量矢量的三角分解计算折射角。
• 在小轴子质量 m_a 下展开结果，以提取 O(g_{a\gamma\gamma}) 阶的主导时间振荡折射。

实验结果

研究问题

• RQ1 几何光学是否能准确描述轴子背景中所有方向光线的折射，特别是远离光轴的光线？
• RQ2 波动光学处理中 O(g_{a\gamma\gamma}) 阶折射的起源与大小为何？其与几何光学预测有何不同？
• RQ3 等离子体背景的存在如何抑制波动效应并恢复与几何光学的一致性？
• RQ4 时间振荡的折射角是否可观测？其与轴子质量及入射角的关系如何？
• RQ5 O(g_{a\gamma\gamma}) 阶折射对轴子透镜和天体物理环境中射线追踪有何影响？

主要发现

• 对于靠近光轴的光线，几何光学在 O(g_{a\gamma\gamma}^2) 阶与轴子电动力学一致，确认了先前结果。
• 对于远离光轴的光线，几何光学失效，波动光学效应占主导，折射发生在 O(g_{a\gamma\gamma}) 阶而非 O(g_{a\gamma\gamma}^2) 阶。
• 折射角以频率 m_a（即轴子质量）随时间振荡，且与 sin(m_a t) 成正比，表明存在时间依赖的偏转。
• 当等离子体质量足够大时，波动效应被抑制，几何光学对所有光线方向均成立。
• 一阶主导折射角为 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)，明确显示出 O(g_{a\gamma\gamma}) 依赖性。