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

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，太阳较差自转层中由热磁爱廷森-能斯特效应驱动的轴子-光子转换，可通过生成强度随磁场变化而波动的γ光量子，解释太阳光度变化。该研究推导出轴子-光子耦合常数 $g_{a\gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11}\,\text{GeV}^{-1}$ 和轴子质量 $m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2}\,\text{eV}$，与现有实验限制一致。

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 $\gamma$-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 $\gamma$-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 ($g_{a \gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11} GeV^{-1}$) 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

• 探究轴子机制在太阳光度变化中的物理相关性。
• 探讨轴子-光子转换在较差自转层中是否可解释观测到的太阳活动周期。
• 利用较差自转层中的磁场变化，估算轴子与光子的耦合常数及轴子质量。
• 检验推导出的轴子参数是否与现有实验和理论约束一致。

提出的方法

• 在太阳较差自转层中建立热磁爱廷森-能斯特效应模型，以描述轴子生成γ光量子的过程。
• 在强磁场区域（特别是较差自转层）应用轴子-光子转换过程。
• 利用较差自转层中的磁场变化调制轴子衰变产生的γ光量子强度。
• 从观测到的光度变化推导轴子-光子耦合常数 $g_{a\gamma}$ 和轴子质量 $m_a$ 的约束。
• 将推导出的参数与独立于模型的实验和理论限制进行交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 较差自转层中的热磁爱廷森-能斯特效应是否能解释轴子-光子转换产生的可探测γ射线辐射？
• RQ2 较差自转层中的磁场涨落如何通过轴子转换调制太阳的光度？
• RQ3 与观测到的太阳光度变化一致的轴子-光子耦合常数 $g_{a\gamma}$ 和轴子质量 $m_a$ 的取值是什么？
• RQ4 推导出的轴子参数是否满足现有的实验和理论约束？

主要发现

• 当通过较差自转层中的热磁爱廷森-能斯特效应介导时，轴子机制在解释太阳光度变化方面具有物理可行性。
• 轴子-光子耦合强度估算为 $g_{a\gamma} = 4.4 \cdot 10^{-11}\,\text{GeV}^{-1}$。
• 强子轴子质量估算为 $m_a \sim 3.2 \cdot 10^{-2}\,\text{eV}$。
• 推导出的轴子参数与所有已知的实验和理论独立限制一致。
• 光度变化与磁场诱导的γ光量子强度调制通过轴子转换直接关联。