[论文解读] Spectral modulation of non-Galactic plane Gamma-ray pulsars due to photon-ALPs mixing in Galactic magnetic field

Jhilik Majumdar, Francesca Calore+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用 6

一句话总结

本研究探讨了银河系磁场中光子-轴子样粒子（ALP）混合作为非银道面伽马射线脉冲星能谱调制的机制。利用九年费米-LAT Pass 8数据，作者对光子-ALP振荡引起的能量依赖性通量抑制进行了建模，发现在PSR J0030+0451中存在3.66σ的能谱畸变显著性，12个脉冲星的最佳拟合参数为$ g_{\alpha\gamma\gamma} = 14.12 \times 10^{-11}\ \text{GeV}^{-1} $和$ m_\alpha = 2.23\ \text{neV} $，结果高度依赖于所采用的银河系磁场模型。

ABSTRACT

In many approaches to describe physics beyond the standard model, light Nambu-Goldstone bosons (named axion-like particles or ALPS for their similarity with the axion) are predicted to exist. For ALPs with a mass of neV, photon-ALPs oscillation takes place in extra-galactic magnetic fields during the propagation of very high energy gamma-ray photons leading to excess radiation observed for optically thick sources. In order to verify this effect, gamma-ray spectra from strong Galactic plane or non-galactic plane sources can be used and the photon-ALPs mixing would lead to an energy dependent suppression of the observed gamma-ray spectra. Here, we have used Fermi-LAT observations of a sample of non Galactic plane gamma-ray pulsars located at different line-of-sights to search for spectral signatures and compare the result with the predictions using particular models for the Galactic magnetic field.We find consistent evidence with our prevoius analysis of objects located in the Galactic plane for a modulation of the spectra investigated at the level of 3.66 standard deviations . In the framework of ALPS-photon oscillation, the resulting parameters strongly depend upon the chosen magnetic field model, but seem to be within reach of new experiments(e.g. IAXO).

研究动机与目标

• 搜索由于银河系磁场中光子-ALP混合导致的非银道面伽马射线脉冲星的能谱畸变。
• 利用费米-LAT Pass 8数据约束光子-ALP耦合常数$ g_{\alpha\gamma\gamma} $和ALP质量$ m_\alpha $。
• 评估观测到的能谱调制的显著性，并评估其与ALP振荡模型的一致性。
• 量化推断的ALP参数对银河系磁场模型选择的依赖程度。

提出的方法

• 使用P8R2_SOURCE_V6仪器响应函数分析九年费米-LAT Pass 8数据。
• 对12个银纬大于10°的明亮脉冲星进行谱模型拟合，采用幂律加指数截断模型，以船帆星脉冲星作为系统误差参考。
• 整合能量展宽矩阵和来自船帆星精确测量谱的系统误差（2.4%通量误差）。
• 使用光子-ALP振荡概率公式$ P_{\gamma\rightarrow a} \propto g_{\alpha\gamma\gamma}^2 \left| \int B_{\perp} e^{2\pi i z'/l_0} dz' \right|^2 $来建模通量抑制。
• 采用分箱似然优化与$ \chi^2 $最小化方法，检验ALP混合相对于标准谱模型的适用性。
• 对全部12个脉冲星联合进行参数空间扫描，并使用F检验评估全局显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的非银道面伽马射线脉冲星能谱软化是否表明银河系磁场中存在光子-ALP混合？
• RQ2 在观测到的能谱畸变下，光子-ALP耦合常数$ g_{\alpha\gamma\gamma} $和ALP质量$ m_\alpha $的最佳拟合值是多少？
• RQ3 在所选脉冲星样本中，ALP混合的证据显著性如何？
• RQ4 推断的ALP参数在多大程度上依赖于所假设的银河系磁场模型？
• RQ5 该能谱调制能否被ALP振荡一致解释，且是否改善了每自由度的$ \chi^2 $？

主要发现

• 在PSR J0030+0451中发现3.66σ的能谱调制显著性，表明其与标准谱模型存在统计显著偏离。
• 在全部12个脉冲星中，最佳拟合光子-ALP耦合常数为$ 14.12 \times 10^{-11}\ \text{GeV}^{-1} $，ALP质量为$ 2.23\ \text{neV} $。
• 引入ALP混合后，每自由度的$ \chi^2 $改善至约1，表明与数据拟合良好。
• 在PSR J0030+0451中，引入ALP混合使$ \chi^2 $减少17，证实了其解释能力。
• 结果对银河系磁场模型的选择高度敏感，特别是分析中采用的Jansson & Farrar（2012）模型。
• 推导出的ALP参数处于未来实验（如IAXO）的探测灵敏度范围内，表明未来有望得到验证。