[论文解读] Interpretation of multi-TeV photons from GRB221009A

Ali Baktash, D. Horns+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 19

一句话总结

本文研究了来自 GRB221009A 的 18 TeV 光子的起源，该光子在标准伽马射线传播模型下与外星背景光（EBL）吸收引起的极高光学深度存在矛盾。论文提出，光子-轴子样粒子（ALP）混合或洛伦兹不变性破坏（LIV）可能抑制对产生，从而允许该光子存活。然而，所需的耦合强度或能量尺度与现有天体物理观测结果存在冲突，除非混合发生在源附近或 LIV 能量尺度极低。

ABSTRACT

The nearby GRB221009A at redshift $z=0.1505$ has been observed up to a maximum energy of 18 TeV with the LHAASO air shower array. The expected optical depth for a photon with energy $E_γ=18$ TeV varies between 9.4 and 27.1 according to existing models of the extra-galactic background light (EBL) in the relevant mid infra-red range. The resulting suppression of the flux in several (but not all) EBL models makes it for these EBL models unlikely that this photon could have been observed at the claimed energy. If the photon event and its energy are confirmed and possibly even more photons above 10 TeV have been observed, the photon-pair production process would have to be suppressed by mechanisms predicted in extensions of the Standard Model of particle physics. We consider the possibilities of photon mixing with a light pseudo-scalar (e.g., axion-like particles; ALPs) in the magnetic field of the host galaxy and the Milky Way and Lorentz invariance violation (LIV). In the case of photon-ALP mixing, the boost factor would reach values $\sim10^6$ for photon couplings not ruled out by the CAST experiment, but limited by other astrophysical constraints. Viable scenarios would require either very efficient mixing in or near to the GRB or that the largest part of the total luminosity is radiated at TeV energies, different from previous GRB afterglows. In the case of LIV, required boost factors are achievable for a LIV breaking energy scale $\lesssim 2 imes 10^{29}$~eV ($\lesssim 4 imes 10^{21}$~eV) for the linear (quadratic) modification of the dispersion relation. A more simple explanation would be a misidentification of a charged cosmic-ray air shower.

研究动机与目标

• 解释在标准模型下由于 EBL 吸收导致极高光学深度的 18 TeV 光子从 GRB221009A 的检测问题。
• 评估光子-ALP 混合或洛伦兹不变性破坏（LIV）是否能够抑制对产生，从而使如此高能的光子能够抵达地球。
• 评估观测到的光子能量与流量是否与来自其他观测的天体物理约束一致。
• 检验该高能信号是否更可能是被误识别的带电宇宙射线空气簇射，从而提供一个更简单的解释。

提出的方法

• 作者使用多种 EBL 模型计算了 18 TeV 光子的 EBL 引发的光学深度，结果在 9.4 到 27.1 之间。
• 他们在星系和星系际磁场中建立了光子-ALP 混合模型，推导出实现约 10^6 倍增强因子所需的耦合强度 $ g_{a\gamma} $。
• 他们通过修正的色散关系分析洛伦兹不变性破坏（LIV），计算了线性和二次 LIV 项所需的能量尺度 $ M_1 $ 和 $ M_2 $。
• 他们使用 Swift-XRT 光 light curve 作为代理，将 GRB221009A 的预期 VHE 余晖通量与 LHAASO 观测结果进行比较，变化归一化因子 $ \zeta $。
• 他们评估了预测的 $ g_{a\gamma} $ 和 $ M $ 值与来自 CAST 及其他来源的现有天体物理约束的一致性。
• 他们考虑了 18 TeV 事件可能是被误识别的宇宙射线空气簇射的可能性，并评估了背景预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准 EBL 吸收模型能否解释从 GRB221009A 检测到的 18 TeV 光子？还是光学深度过高，导致该检测在标准物理下极不可能？
• RQ2 为抑制对产生并使 18 TeV 光子存活，所需的光子-ALP 耦合强度 $ g_{a\gamma} $ 是多少？该值是否与现有天体物理约束一致？
• RQ3 为降低伽马射线不透明度，洛伦兹不变性破坏（LIV）所需的能量尺度 $ M $ 是多少？该值是否与观测约束兼容？
• RQ4 通过使用 X 射线余晖并调整归一化因子 $ \zeta $ 建模的 VHE 余晖时间行为，能否重现 LHAASO 在 500 GeV 以上的光子计数？
• RQ5 考虑到背景率，该 18 TeV 事件是否更可能是被误识别的带电宇宙射线空气簇射？

主要发现

• 在不同 EBL 模型下，GRB221009A 发出的 18 TeV 光子的光学深度在 9.4 到 27.1 之间，意味着检测概率低至 $ 7 \times 10^{-9} $，在标准物理下该观测极不可能发生。
• 为实现约 10^6 倍的增强因子，光子-ALP 混合需要 $ g_{a\gamma} \gtrsim 6 \times 10^{-12}~\mathrm{GeV}^{-1} $，但该值与 CAST 及其他天体物理观测结果存在矛盾。
• 若 ALP 混合可行，则必须在源附近实现极高效的混合，或存在主导的 TeV 亮度分量，这与典型 GRB 余晖不同。
• 线性色散关系下的 LIV 要求 $ M_1 \lesssim 2 \times 10^{29}~\mathrm{eV} $，该值与部分约束一致；而二次 LIV 要求 $ M_2 \lesssim 4 \times 10^{21}~\mathrm{eV} $，则较不可行。
• 在 18 TeV 处检测到被误识别的带电宇宙射线空气簇射的概率与观测事件一致，提供了一个更简单、更常规的解释。
• 若存在新物理（如 ALP 混合或 LIV），该高能光子的观测可能标志异常透明性，或预示新发现。