[论文解读] New limit insertion on pseudoscalar-photon mixing from WMAP Observations

Prabhakar Tiwari|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用WMAP七年期去Foreground处理的CMBR温度与极化数据，约束了原初大尺度磁场存在下的赝标量-光子混合。对于质量为 $10^{-10}\ \text{eV}$ 的ALPs，得到 $g_{\phi}B \leq 1.6 \times 10^{-13}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$；对于质量为 $10^{-15}\ \text{eV}$ 的超轻ALPs，得到 $g_{\phi}B \leq 3.4 \times 10^{-15}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$，从而改进了轴子样粒子与光子耦合的限制。

ABSTRACT

The pseudoscalar-photon mixing in presence of large scale magnetic field induces polarization in light from distant cosmological sources. We study the effect of these pseudoscalars or axion like particles (ALPs) on Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR) and constrain the product of mixing strength $g_{\phi}$ times background magnetic field $B$. The background magnetic field has been assumed to be primordial and we assume large scale correlations with the correlation length of 1Mpc. We use WMAP seven year foreground reduced polarization and temperature data to constrain pseudoscalar-photon mixing parameter. We look for different mass limits of the pseudoscalars and find $g_{\phi}B\le 1.6 imes10^{-13} GeV^{-1} nG$ with ALPs of mass $10^{-10} eV$ and $g_{\phi}B\le3.4 imes10^{-15} GeV^{-1} nG$ for ultra light ALPs of mass $10^{-15} eV$.

研究动机与目标

• 研究在大尺度原初磁场存在下，赝标量-光子混合对宇宙微波背景辐射（CMBR）的影响。
• 利用观测的CMBR数据，约束赝标量耦合强度 $g_{\phi}$ 与磁场 $B$ 的乘积。
• 检验不同赝标量质量如何影响由混合引起的CMBR极化。
• 通过分析WMAP七年期去Foreground处理的温度与极化数据，改进现有轴子样粒子（ALP）耦合的限制。

提出的方法

• 该研究在相关长度为1 Mpc的背景磁场中建立赝标量-光子混合模型，假设其起源于原初状态。
• 使用WMAP七年期数据发布，特别采用去Foreground处理的温度与极化功率谱，将理论预测与观测结果进行比较。
• 在假设大尺度磁场结构中混合具有相干性的前提下，计算CMBR极化的理论预测。
• 分析采用基于似然的参数估计方法，对不同ALP质量下的 $g_{\phi}B$ 进行约束。
• 该模型假设磁场强度与相关长度恒定，并沿视线路径积分以计算有效混合振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 大尺度磁场中赝标量-光子混合如何影响宇宙微波背景辐射的极化？
• RQ2 利用WMAP数据，对质量为 $10^{-10}\ \text{eV}$ 的轴子样粒子，最紧的 $g_{\phi}B$ 乘积约束是什么？
• RQ3 对质量为 $10^{-15}\ \text{eV}$ 的超轻轴子样粒子，$g_{\phi}B$ 的约束如何变化？
• RQ4 相关长度为1 Mpc的大尺度磁场在多大程度上通过ALP混合影响CMBR极化图样？
• RQ5 WMAP七年期数据能否探测到超越当前限制的赝标量-光子混合信号？

主要发现

• 对于质量为 $10^{-10}\ \text{eV}$ 的轴子样粒子，耦合乘积的约束为 $g_{\phi}B \leq 1.6 \times 10^{-13}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$。
• 对于质量为 $10^{-15}\ \text{eV}$ 的超轻轴子样粒子，约束收紧至 $g_{\phi}B \leq 3.4 \times 10^{-15}\ \text{GeV}^{-1}\ \text{nG}$。
• 该分析通过利用高灵敏度的WMAP七年期去Foreground处理的极化与温度数据，改进了先前的限制。
• 结果基于原初磁场具有1 Mpc相关长度且在宇宙距离上保持相干结构的假设得出。
• 本研究表明，CMBR极化数据可用于探测轻赝标量（如轴子样粒子）的存在及其耦合强度。