[论文解读] First constraints on axion-like particles from Galactic sub-PeV gamma rays

Christopher Eckner, Francesca Calore|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 125被引用 18

一句话总结

本研究首次利用HAWC和Tibet ASµ获取的亚佩V级银河系弥散伽马射线数据，对轴子样粒子（ALPs）施加了直接约束，借助IceCube探测到的河外高能中微子通量与ALP诱导的伽马射线信号之间的关联。通过建模ALP在河外及银河系磁场中的转换过程，作者在ALP质量低于2 × 10−7 eV时，设定了95%置信水平下gaγγ < 2.1 × 10−11 GeV−1的上限，填补了ALP参数空间中的空白，并与TeV伽马射线及ADMX实验的现有限制形成互补。

ABSTRACT

Experimental refinements and technical innovations in the field of extensive air shower telescopes have enabled measurements of Galactic cosmic-ray interactions in the sub-PeV range, providing new avenues for the search for new physics and dark matter. For the first time, we exploit sub-PeV (1 TeV -- 1 PeV) observations of Galactic diffuse gamma rays by HAWC and Tibet AS$\gamma$ to search for an axion-like-particle (ALP) induced gamma-ray signal directly linked to the origin of the IceCube extragalactic high-energy neutrino flux. Indeed, the production of high-energy neutrinos in extragalactic sources implies the concomitant production of gamma rays at comparable energies. Within the magnetic field of the neutrino emitting sources, gamma rays may efficiently convert into ALPs, escape their host galaxy un-attenuated, propagate through intergalactic space, and reconvert into gamma rays in the magnetic field of the Milky Way. Such a scenario creates an all-sky diffuse high-energy gamma-ray signal in the sub-PeV range. Accounting for the guaranteed Galactic astrophysical gamma-ray contributions from cosmic-ray interactions with gas and radiation and from sub-threshold sources, we set competitive upper limits on the photon-ALP coupling constant $g_{a\gamma\gamma}$. We find $g_{a\gamma\gamma} < 2.1 imes10^{-11}$ GeV$^{-1}$ for ALP masses $m_a \leq 2 imes10^{-7}$ eV at a 95\% confidence level. Our results are comparable to previous limits on ALPs derived from the TeV gamma-ray domain and progressively close the mass gap towards ADMX limits. The code and data to reproduce the results of this study are available on GitHub \url{https://github.com/ceckner/subPeVALPs}.

研究动机与目标

• 利用亚佩V级弥散银河系伽马射线观测，约束光子-ALP耦合常数gaγγ。
• 利用IceCube探测到的河外高能中微子通量与亚佩V能量范围内ALP诱导的伽马射线信号之间的协同效应。
• 通过探测此前未充分约束的质量范围，填补TeV伽马射线与ADMX限制之间在ALP参数空间中的空白。
• 建立银河系天体物理伽马射线贡献模型，包括宇宙射线与气体及辐射场的相互作用，以及未分辨源的贡献，并从中减去，以隔离潜在的ALP诱导信号。

提出的方法

• 利用HAWC（43° < l < 73°，|b| < 4°）和Tibet ASµ（25° < l < 100°，|b| < 5°）在1 TeV至1 PeV能量范围内的弥散伽马射线通量测量数据。
• 构建ALP在河外中微子发射源中通过p-p或p-γ反应产生，并在银河系磁场中转换为光子的模型。
• 采用Primakoff效应形式描述外部磁场中光子-ALP振荡，使用密度矩阵的哈密顿量演化方程：idρ/dz = [Hdis, ρ] - i/2{Habs, ρ}。
• 通过矩阵元Δ⊥、Δ∥、Δa和Δaγ引入色散与吸收效应，综合考虑离子体、磁场及辐射场的贡献。
• 通过统计分析比较总预测伽马射线通量（天体物理背景 + ALP诱导信号）与实测数据，通过调节gaγγ和ma参数推导出排除极限。
• 采用星形成率密度演化与河外源中磁场强度演化的基准设定，以建模ALP通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用HAWC和Tibet ASµ获取的亚佩V级弥散银河系伽马射线观测数据，对光子-ALP耦合常数gaγγ施加约束？
• RQ2 假设ALP起源于河外中微子源，ALP诱导的伽马射线在1 TeV至1 PeV能量范围内的弥散银河系发射中贡献有多大？
• RQ3 观测到的亚佩V级伽马射线通量与宇宙射线与气体及未分辨源相互作用产生的预期天体物理背景相比如何？
• RQ4 该方法对质量低于2 × 10−7 eV的ALP的灵敏度如何？与其它实验的现有限制相比有何差异？
• RQ5 IceCube中微子通量在多大程度上可作为河外源中ALP产生的代理指标？

主要发现

• 本研究在ALP质量ma ≤ 2 × 10−7 eV时，设定了95%置信水平下gaγγ < 2.1 × 10−11 GeV−1的上限。
• 所得约束与此前TeV伽马射线领域获得的限制具有可比性，并在低质量ALP参数空间中逐步缩小与ADMX限制之间的差距。
• 分析表明，亚佩V级伽马射线观测可探测此前未充分约束的ALP参数空间区域，尤其适用于ma < 2 × 10−7 eV的情况。
• 模型充分考虑了确定存在的银河系天体物理贡献，包括宇宙射线与气体及辐射场的相互作用，以及未分辨的TeV源，确保了对背景污染的鲁棒性。
• 使用GitHub仓库中的公开代码与数据可完全复现本研究结果：https://github.com/ceckner/subPeVALPs。
• 本研究首次基于真实的亚佩V级弥散伽马射线数据，对ALP施加了直接约束，验证了河外中微子源诱导ALP伽马射线信号的理论框架。