[论文解读] Parameters of axion-like particles required to explain high-energy photons from GRB 221009A

S. Troitsky|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出，轴子样态粒子（ALPs）在银河系磁场中与光子混合，可解释从GRB 221009A探测到的超高能光子（高达251 TeV）的现象，否则这些光子会因与宇宙背景辐射发生对产生而无法传播。ALP-光子转换更可能发生在银河系内而非星际空间，这要求ALP质量与耦合参数处于特定范围，以避免过度衰减。

ABSTRACT

Recent astrophysical transient Swift J1913.1+1946 is possibly associated with the gamma-ray burst GRB 221009A at the redshift z=0.151. The transient was accompanied by very high-energy gamma rays up to 18 TeV observed by LHAASO and a photon-like air shower of 251 TeV detected by Carpet-2. These energetic gamma rays cannot reach us from the claimed distance of the source because of the pair production on cosmic background radiation. If the identification and redshift measurements are correct, one would require new physics to explain the data. One possibility invokes axion-like particles (ALPs) which mix with photons but do not attenuate on the background radiation. Here we explore the ALP parameter space and find that the ALP-photon mixing in the Milky Way, and not in the intergalactic space, may help to explain the observations. However, given the low Galactic latitude of the event, misidentification with a Galactic transient remains an undiscarded explanation.

研究动机与目标

• 解释从红移z ≈ 0.151的GRB 221009A探测到的超高能光子（高达251 TeV）为何无法在宇宙学距离上无衰减传播，原因在于与宇宙微波背景辐射发生对产生。
• 研究轴子样态粒子（ALPs）与光子混合是否能为这些光子抵达地球提供可行机制。
• 确定ALP转换主要发生在星际介质还是银河系磁场中。
• 约束ALP质量与光子耦合参数的允许参数空间，以使该情景成为可能。
• 评估高能光子可能源自银河系暂现源而非遥远GRB的可能性，鉴于该源的银河系纬度较低。

提出的方法

• 分析红移z ≈ 0.151的GRB 221009A的光子传播，考虑其在宇宙微波背景和红外背景辐射上通过e⁺e⁻对产生导致的衰减。
• 应用外部磁场中ALP-光子混合的形式化方法，使用拉格朗日相互作用项−(g/4)aFμνF̃μν来建模光子与ALPs之间的转换。
• 评估两种情景：在星际介质中（因磁场微弱，转换效率低）和在强局部磁场中（如银河系或宿主星系中）。
• 计算在ALP混合下高能光子的存活概率，优先考虑在银河系内发生转换以避免完全衰减。
• 利用LHAASO（18 TeV光子）和Carpet-2（251 TeV空气簇射）的观测约束，限制ALP参数空间。
• 考虑其他解释，包括由于事件的低银河系纬度（b ≈ 4°）而可能被误认为是银河系暂现源。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子样态粒子（ALP）在磁场中与光子混合是否能解释从GRB 221009A探测到的251 TeV光子？
• RQ2 ALP-光子转换更可能发生在星际介质中还是银河系磁场中？
• RQ3 ALP质量与光子耦合参数的哪些范围允许观测到的高能光子在传播中存活？
• RQ4 鉴于GRB 221009A的低银河系纬度，高能光子是否可能源自附近银河系暂现源？
• RQ5 观测到的光变曲线和光子角位置一致性如何支持或挑战ALP解释与银河系起源的假设？

主要发现

• 在z ≈ 0.151处探测到GRB 221009A的251 TeV光子与标准光子传播不一致，因为其在宇宙微波背景上通过e⁺e⁻对产生导致的光学深度超过3000，衰减极为严重。
• ALP-光子混合在银河系磁场中是解释观测结果的可行机制，因其可避免星际混合情景中观察到的强烈衰减。
• 星际ALP混合不被支持，因为在假设的星际磁场下，18 TeV光子的存活概率仅约为10⁻⁵。
• 允许可观测光子通量的ALP参数空间被限制为特定的质量与耦合组合，且转换主要发生在宿主星系和银河系内。
• GRB 221009A的低银河系纬度（b ≈ 4°）增加了其被误认为是银河系暂现源的可能性，例如3HWC J1928+178或LHAASO J1929+1745，这些天体位于视线方向附近。
• 未来工作需进一步区分高能光子是源自GRB本身，还是与之共存的银河系耀发，尤其考虑到该暂现源的异常光变曲线。