[论文解读] Observability of the very-high-energy emission from GRB 221009A

Giorgio Galanti, Lara Nava+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用 13

一句话总结

本文提出，轴子样态粒子（ALPs）质量 $ m_a \sim 10^{-10} \,\text{eV} $ 且光子耦合常数 $ g_{a\gamma\gamma} \sim 4 \times 10^{-12} \,\text{GeV}^{-1} $，可解释来自 GRB 221009A 的观测到的极高能（VHE）光子，包括 LHAASO 探测到的高达 18 TeV 的光子以及 Carpet-2 观测到的 251 TeV 光子候选事件。ALPs 通过实现光子-ALP 振荡，降低了宇宙背景光（EBL）引起的光子消光，使高能辐射在经历极端的河外背景光衰减后仍可被观测到。

ABSTRACT

The LHAASO Collaboration detected the gamma ray burst GRB 221009A at energies above 500 GeV with a tail extending up to 18 TeV, whose spectral analysis has presently been performed up to 7 TeV for the lower energy instrument LHAASO-WCDA only, with no indication of a cutoff. Soon thereafter, Carpet-2 at Baksan Neutrino Observatory reported the observation of an air shower consistent with being caused by a photon of energy 251 TeV from the same GRB. Given the source redshift z=0.151, the expected attenuation due to the extragalactic background light is very severe so that these detections have proven very hard to explain. In this Letter, we show that the existence of axionlike particles with mass m_{a}≃(10^{-11}-10^{-7}) eV and two-photon coupling g_{aγγ}≃(3-5)×10^{-12} GeV^{-1} strongly reduce the optical depth of TeV photons, thus explaining the observations. Our ALPs meet all available constraints, are consistent with two previous hints at their existence, and are good candidates for cold dark matter. Moreover, we show that Lorentz invariance violation can explain the Carpet-2 result but not the LHAASO observations.

研究动机与目标

• 解释在标准物理框架下由于强烈的河外背景光（EBL）衰减而极不可能观测到的来自 GRB 221009A 的高达 18 TeV 的 VHE 光子。
• 解决 Carpet-2 探测到 251 TeV 光子所构成的挑战，该结果与标准 EBL 吸收模型不一致。
• 提出轴子样态粒子（ALPs）作为抑制光子在宇宙距离上传播过程中消光的可行机制。
• 确保所提出的 ALP 参数与现有的天体物理和实验室约束一致。
• 区分 ALP 介导的光子存活机制与洛伦兹不变性破坏（LIV）等其他解释，后者无法解释 LHAASO 的数据。

提出的方法

• 使用 Saldana-Lopez 河外背景光模型（SL EBL），该模型与 LHAASO 的光谱分析一致，模拟 GRB 221009A 光子在河外介质中的传播。
• 利用 $ \tau_{\text{CP}}({\cal E}) $ 计算常规光子存活概率 $ P_{\text{CP}}({\cal E}) $，显示在 $ \sim 10 \,\text{TeV} $ 及以上能量时出现极端抑制。
• 通过有效哈密顿量 $ H_{\text{eff}} $ 引入 ALP 介导的光子-ALP 振荡，其中包含混合角 $ \theta $ 和能量依赖的振荡长度 $ l_{\text{osc}} $。
• 在星际空间中外部磁场 $ B_{\text{ext}} = 1 \,\text{nG} $ 的假设下，计算有效光学深度 $ \tau_{\text{ALP}}({\cal E}) $ 和光子存活概率 $ P_{\text{ALP}}({\cal E}; \gamma \to \gamma) $。
• 使用密度矩阵 $ \rho_x, \rho_z, \rho_{\text{unp}} $ 描述光子极化态，并追踪其在 ALP 振荡过程中的演化。
• 通过变化 ALP 质量 $ m_a $ 和耦合常数 $ g_{a\gamma\gamma} $，将预测的存活概率与 LHAASO 和 Carpet-2 数据进行比较，识别出与观测一致的参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移 $ z = 0.151 $ 处，由于 EBL 衰减极强，轴子样态粒子（ALPs）能否解释来自 GRB 221009A 的高达 18 TeV 的 VHE 光子的探测？
• RQ2 为重现 LHAASO 和 Carpet-2 观测到的光子通量，所需的 ALP 参数（质量 $ m_a $，耦合常数 $ g_{a\gamma\gamma} $）为何值？
• RQ3 Carpet-2 观测到的 251 TeV 光子候选事件是否与 ALP 介导的光子存活一致？还是需要其他新物理？
• RQ4 洛伦兹不变性破坏（LIV）能否解释 Carpet-2 的结果，同时与 LHAASO 的观测相容？
• RQ5 所提出的 ALP 参数是否与现有天体物理和实验室约束一致，如 CAST、磁性白矮星极化测量以及 H1821+643 的观测？

主要发现

• 在 18 TeV 能量下，常规光子存活概率为 $ P_{\text{CP}}(18 \,\text{TeV}) = 1 \times 10^{-8} $，表明在无新物理机制下，LHAASO 的探测极为不可能。
• 在 251 TeV 能量下，常规光子存活概率 $ P_{\text{CP}}(251 \,\text{TeV}) \sim 0 $，表明在标准物理框架下，Carpet-2 的探测无法实现。
• 当 $ m_a = 10^{-10} \,\text{eV} $ 且 $ g_{a\gamma\gamma} = 4 \times 10^{-12} \,\text{GeV}^{-1} $ 时，ALP 介导的存活概率在 18 TeV 处达到 $ P_{\text{ALP}} \sim 10^{-2} $，使 LHAASO 的观测成为可能。
• 相同 ALP 参数在 251 TeV 处产生 $ P_{\text{ALP}} \sim 10^{-3} $ 的存活概率，为 Carpet-2 的候选事件提供了合理解释。
• 洛伦兹不变性破坏（LIV）虽可解释 Carpet-2 的结果，但无法解释 LHAASO 的数据，因为其会抑制低能区的通量，而 LHAASO 在该能量区具有高显著性。
• 所提出的 ALP 参数与所有现有约束一致，包括 CAST、磁性白矮星极化测量以及 H1821+643 的观测，且其作为冷暗物质候选者具有可行性。