[论文解读] Photon-ALP oscillations from a blazar to us up to 1000 TeV

Giorgio Galanti, F. Tavecchio+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了来自耀变体的甚高能（VHE）光子与轴子样粒子（ALP）之间的振荡，建模了宇宙中多种天体物理环境中真实的磁场。该研究预测了能谱振荡以及20 TeV以上的光子过剩，可通过即将投入使用的望远镜如CTA和HAWC进行检验，亦可在实验室实验（如ALPS II和IAXO）中探测到。

ABSTRACT

Prompted by the increasing interest of axion-like particles (ALPs) for very-high-energy (VHE) astrophysics, we have considered a full scenario for the propagation of a VHE photon/ALP beam emitted by a BL Lac and reaching us in the light of the most up-to-date astrophysical information and for energies up to above $100 \, m TeV$. During its trip, the beam -- generated in a small region of a BL Lac jet -- crosses a variety of magnetic structures in very different astronomical environments: the BL Lac jet, the host elliptical galaxy, the extragalactic space and the Milky Way. We have taken an effort to model all these magnetic fields in the most realistic fashion and using a new model developed by us concerning the extragalactic magnetic field. Assuming an intrinsic spectrum with a power law exponentially truncated at a fixed cut-off energy, we have evaluated the resulting observed spectra of Markarian 501, the extreme BL Lac 1ES 0229+200 and a similar source located at $z = 0.6$ up to above $100 \, m TeV$. We obtain interesting results: the model with photon-ALP oscillations possesses features (spectral energy oscillatory behaviour and photon excess above $20 \, m TeV$) which can be tested by $\gamma$-ray observatories like CTA, HAWC, GAMMA 400, LHAASO, TAIGA-HiSCORE and HERD. In addition, our ALP can be detected in dedicated laboratory experiments like the upgrade of ALPS II at DESY, the planned IAXO and STAX experiments, as well as with other techniques developed by Avignone and collaborators.

研究动机与目标

• 建立VHE光子与ALP从耀变体出发，穿越宇宙中各类磁场的传播模型。
• 评估真实磁场结构（包括喷流内、宿主星系、星系际空间及银河系内）对光子-ALP振荡的影响。
• 评估极端BL Lac天体（如Markarian 501和1ES 0229+200）在100 TeV以上能量下的观测能谱结果。
• 识别可通过当前及未来伽马射线望远镜和实验室实验检验的光子-ALP振荡可观测特征。

提出的方法

• 开发了一种新的星系际磁场模型，并将其整合进一个全面的传播框架中。
• 模拟光束在多个磁场环境中的演化过程：耀变体喷流、宿主椭圆星系、星系际介质以及银河系。
• 将本征光子能谱建模为幂律谱，并在固定能量处引入指数截断，以允许能量依赖的振荡效应。
• 利用有效拉格朗日量和混合角形式，计算光子-ALP振荡，考虑磁场强度与方向的变化。
• 在不同红移（包括z = 0.6）的源之间比较所得观测能谱，以评估能量依赖的特征。
• 对CTA、HAWC、GAMMA 400、LHAASO、TAIGA-HiSCORE、HERD等望远镜，以及ALPS II、IAXO、STAX等实验室实验做出预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷流、宿主星系、星系际介质及银河系中真实磁场构型如何影响来自耀变体的VHE光子的光子-ALP振荡？
• RQ2 在20 TeV以上的能量范围内，光子-ALP振荡会在观测能谱中产生何种能谱特征？
• RQ3 该模型能否产生可测量的20 TeV以上光子过剩，从而可被当前及未来的伽马射线望远镜探测到？
• RQ4 哪些实验室实验对探测该情景下预测的轴子样粒子最为敏感？
• RQ5 源的红移与本征能谱截断能量如何影响振荡特征的可探测性？

主要发现

• 该模型预测了由于光子-ALP混合在不同磁场中引起的显著能谱振荡行为。
• 预测在20 TeV以上存在可观测的光子过剩，可被CTA、HAWC及其他高能伽马射线仪器探测到。
• 预测的能谱特征在不同源红移（包括z = 0.6）下均保持稳健，增强了其可探测潜力。
• 该模型的预测可通过LHAASO、GAMMA 400、HERD和TAIGA-HiSCORE等未来望远镜进行检验。
• 该情景中的轴子样粒子可在专门的实验室实验中探测到，包括DESY升级版ALPS II以及计划中的IAXO和STAX实验。
• 引入新的星系际磁场模型提升了光子-ALP振荡框架的真实性与预测能力。