[论文解读] Thermomagnetic Ettingshausen-Nernst effect in tachocline and axion mechanism of solar luminosity variations

V. D. Rusov, Maxim Eingorn+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 72被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖机制，通过热磁埃廷肖森-能斯特效应，将太阳光度变化与太阳较差旋变速层中轴子-光子转换联系起来。研究表明，太阳核心产生的轴子在较差旋变速层的磁场中重新转换为光子，由此产生的伽马射线强度变化直接导致了观测到的太阳活动周期。该模型得出的轴子-光子耦合常数 $ g_{a\gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $ 和轴子质量 $ m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2} \, \text{eV} $ 与现有实验和理论约束一致。

ABSTRACT

It is shown that the hypothesis of the axion mechanism for solar luminosity variations suggesting that the solar axion particles are born in the core of the Sun and may be efficiently converted back into $γ$-quanta in the magnetic field of the solar overshoot tachocline is physically relevant. As a result, it is also shown that the intensity variations of the $γ$-quanta of axion origin, induced by the magnetic field variations in the tachocline via the thermomagnetic Ettingshausen-Nernst effect, directly cause the Sun luminosity variations and eventually characterize the active and quiet states of the Sun. Within the framework of this mechanism estimations of the strength of the axion coupling to a photon ($g_{a γ} = 4.4 \cdot 10^{-11} GeV^{-1}$) and the hadronic axion particle mass ($m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2} eV$) have been obtained. It is also shown that the claimed axion parameters do not contradict any known experimental and theoretical model-independent limitations.

研究动机与目标

• 研究利用‘光穿墙’效应的轴子机制在太阳光度变化中的物理可行性。
• 将观测到的太阳活动周期（活跃/宁静状态）与较差旋变速层磁场中的轴子-光子转换联系起来。
• 在一致的理论框架内估计轴子-光子耦合常数 $ g_{a\gamma} $ 和轴子质量 $ m_a $。
• 验证推导出的轴子参数是否满足已知的实验和理论限制，包括CAST、ADMX和RBF。

提出的方法

• 将太阳较差旋变速层建模为轴子在强磁场中通过普里马科夫效应从太阳核心重新转换为光子的区域。
• 应用热磁埃廷肖森-能斯特效应，基于热梯度和电导率梯度估算较差旋变速层中的磁场强度。
• 在恒定磁场条件下使用光子-轴子振荡形式化方法计算转换概率，引入混合参数 $ \Delta_{a\gamma} = \frac{g_{a\gamma} B}{2} $。
• 通过将模型拟合到观测到的太阳光度变化，推导轴子耦合常数 $ g_{a\gamma} $ 和质量 $ m_a $。
• 通过与独立于模型的天体物理和实验限制（包括CAST、ADMX和RBF限制）对比，验证推导出的参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳较差旋变速层中的热磁埃廷肖森-能斯特效应能否为轴子-光子转换提供物理解释机制？
• RQ2 较差旋变速层磁场中的轴子-光子转换是否会产生与太阳活动周期一致的光度变化？
• RQ3 在此机制下，轴子-光子耦合常数 $ g_{a\gamma} $ 和轴子质量 $ m_a $ 的一致估计值是什么？
• RQ4 推导出的轴子参数是否满足已知的实验和理论约束？

主要发现

• 通过太阳较差旋变速层中热磁埃廷肖森-能斯特效应介导的‘光穿墙’效应，轴子机制在太阳光度变化中具有物理解释的可行性。
• 该模型得出了轴子-光子耦合常数的一致估计值 $ g_{a\gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11} \, \text{GeV}^{-1} $。
• 推导出的轴子质量为 $ m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2} \, \text{eV} $，处于具有良好物理动机的冷暗物质窗口内。
• 估算出的轴子参数与CAST、ADMX和RBF实验的独立于模型的实验限制一致。
• 轴子转换产生的伽马射线强度变化与太阳活动状态直接相关，可解释观测到的光度周期。
• 该模型将Yohkoh X射线图像中太阳圆面边缘附近的强度增强现象解释为几何投影伪影，而非太阳本身的本征辐射。