[论文解读] Pair-production opacity at high and very-high gamma-ray energies

D. Horns, M. Meyer|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用 5

一句话总结

本研究分析费米-LAT数据，以在高能伽马射线中搜索宇宙的异常透明性，发现来自高红移耀变体的三颗光子具有光学深度 τ > 2。联合事后显著性达 3.68σ，表明对对产生过程的光学厚度降低，暗示可能偏离标准的星系际背景光模型，或存在轴子样粒子等新物理。

ABSTRACT

The propagation of high energy (HE, $E_γ>100$ MeV) and very high-energy gamma-rays (VHE, $E_γ>100$ GeV) in the extra-galactic photon field leads to pair-production and consequently energy- and distance-dependent attenuation of the primary intensity. The spectroscopy of an increasing number of extra-galactic objects at HE and VHE energies has demonstrated indeed the presence of such an attenuation which in turn has been used to constrain the photon density in the medium. At large optical depth ($τ\gtrsim 2$) potential modifications of pair-production due to competing but rare processes (as, e.g., the presence of sub-neV axion-like particle) may be found. Indications for a pair-production anomaly have previously been found with VHE-spectra. Here, we present further indications (at the level of $3.68 σ$) for a reduced optical depth at high energies from an analysis of Fermi- extit{LAT} data.

研究动机与目标

• 利用高能费米-LAT数据，研究星系际背景光（EBL）中伽马射线衰减可能偏离标准模型的情况。
• 检验来自遥远耀变体的高能伽马射线谱在 τ > 2 时是否表现出对产生过程光学厚度降低的迹象。
• 探讨此类异常对新物理（包括轴子样粒子或光子传播修正）的启示。
• 将费米-LAT结果与先前的甚高能（VHE）观测结果结合，以加强对 EBL 归一化和透明度的约束。

提出的方法

• 使用 ULTRACLEAN 事件类别，选取来自高银纬（|b| > 10°）且天顶角 Z < 100° 的 Eγ > 10 GeV 光子。
• 将光子与 2FGL 和 3FGL 星表中已知红移的伽马射线耀变体源进行匹配。
• 排除能量 > 500 GeV 且关联概率 < 90% 的光子，以减少背景污染。
• 通过从 1 GeV 向下外推至 1% 光子通量损失的幂律谱，计算预期源光子计数。
• 使用费雪方法合并三颗高 τ 光子的概率，以评估整体显著性。
• 应用事前和事后校正，以考虑多重检验以及能量和谱指数中的系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在费米-LAT 能量范围内，是否存在高能段（Eγ > 100 GeV）伽马射线光学厚度降低的证据，其显著性超出标准 EBL 模型的预测？
• RQ2 来自遥远耀变体、τ > 2 的观测高能光子是否表明对预期对产生衰减存在偏离？
• RQ3 该观测异常是否可由轴子样粒子或光子传播修正等新物理机制解释？
• RQ4 该异常的显著性在费米-LAT 与先前的 VHE 观测之间如何比较？
• RQ5 在能量标定和源本征谱指数的系统性变化下，该结果的稳健性如何？

主要发现

• 从三颗不同耀变体中识别出三颗光学深度 τ > 2 的光子：GB6J1001+2911（τ = 2.18，z = 0.558）、S4 0218+35（τ = 2.46，z = 0.944）和 Ton 599（τ = 3.1，z = 0.725）。
• 在标准吸收模型下，检测到这三颗光子的联合事前概率为 6.57 × 10⁻⁶，对应显著性为 4.36σ。
• 经试验校正后，事后显著性为 1.17 × 10⁻⁴，等价于 3.68σ，表明存在统计显著的异常。
• 能量不确定性及本征谱更硬的系统性变化虽提高了事前概率，但未使显著性降至 3σ 以下。
• 该结果与早期 VHE 数据的提示一致，表明可能存在普遍偏离标准 EBL 基础衰减的效应。
• 研究结果指向光子传播可能被修改，例如由亚纳电子伏特量级的轴子样粒子引起，尽管尚未提供明确解释。