Materia oscura en fuentes astrofísicas de muy altas energías: Oscilaciones axión-fotón y su efecto en el espectro gamma de la fuente J2019+368

Abstract

Este trabajo de graduación se enfoca en el estudio del efecto hipotético de los ALPs (Axion-Like Particles), por medio de oscilaciones axión-fotón, en el espectro de emisión gamma de la fuente de altas energías J2019+368, usando datos del observatorio HAWC (High Altitude Water Cherenkov Observatory). En concreto, se modeló el espectro de emisión observado para la fuente de interés usando un modelo espectral que no considera los efectos de ALPs, y se comparó con un conjunto de espectros de emisión modificados obtenidos a partir de un modelo que sí considera los efectos de estas partículas. El tratamiento estadístico de estos resultados permitió determinar una región de exclusión para los parámetros de masa ma y constante de acoplamiento electromagnética gaγ de estas partículas, que también son candidatos a materia oscura ligera. El modelo espectral encontrado para el caso sin ALPs se corresponde con una log-parábola de parámetros ϕ10 TeV = (3.95±0.42)×10−14 TeV−1 cm−2 s −1 , α = 2.06±0.12 y β = 0.244±0.118. Estos valores fueron encontrados con 2σ de significancia (95.5 % C.L.) y son consistentes con lo reportado en la literatura. Se obtuvo también un conjunto de 40,000 espectros modificados que consideran el efecto de las oscilaciones axión-fotón. Cada uno de estos espectros modificados se corresponde con una combinación de parámetros (ma, gaγ) dentro de una malla tal que 10−10 ≤ ma [eV] ≤ 10−6 y 10−12 ≤ gaγ [GeV−1 ] ≤ 10−9 . Estos espectros modificados se obtuvieron al incorporar la probabilidad de oscilación de un fotón a un ALP en el modelo sin ALPs. Finalmente, se obtuvieron dos regiones de exclusión en el espacio de parámetros (ma, gaγ): una región de exclusión al 66.3 % C.L. y otra al 95.5 % (una y dos σ, respectivamente). Esto permite determinar qué combinaciones de valores para la masa y la constante de acoplamiento electromagnética de los ALPs se pueden descartar, debido a que dichas combinaciones generan espectros de emisión con diferencias tan significativas respecto al modelo intrínseco que, de existir, debieron ya haber sido detectadas. El estadístico de prueba usado para determinar el modelo preferido fue ∆χ 2 = χ 2 ALPs − χ 2 Sin ALPs. Los umbrales de exclusión se determinaron usando una simulación de Monte Carlo, una práctica común en este tipo de estudios. Todo lo expuesto anteriormente se realizó para dos posibles distancias a la fuente J2019+368: L = 1.8 kpc y L = 4 kpc, debido a que aún hay discusión sobre la verdadera distancia de esta fuente astrofísica.

This graduation project focuses on studying the hypothetical effect of ALPs (Axion-Like Particles), through axion–photon oscillations, on the gamma-ray emission spectrum of the high-energy source J2019+368, using data from the HAWC (High Altitude Water Cherenkov) Observatory. Specifically, the observed emission spectrum of the source of interest was modeled using a spectral model that does not consider the effects of ALPs, and it was compared with a set of modified emission spectra obtained from a model that does include the effects of these particles. The statistical treatment of these results allowed for the determination of an exclusion region for the mass parameter mₐ and the electromagnetic coupling constant gₐγ of these particles, which are also candidates for light dark matter.

The spectral model found for the case without ALPs corresponds to a log-parabola with parameters ϕ₁₀ TeV = (3.95±0.42)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹, α = 2.06±0.12, and β = 0.244±0.118. These values were obtained with 2σ significance (95.5% C.L.) and are consistent with those reported in the literature. A set of 40,000 modified spectra considering the effect of axion–photon oscillations was also obtained. Each of these modified spectra corresponds to a combination of parameters (mₐ, gₐγ) within a grid such that 10⁻¹⁰ ≤ mₐ [eV] ≤ 10⁻⁶ and 10⁻¹² ≤ gₐγ [GeV⁻¹] ≤ 10⁻⁹. These modified spectra were obtained by incorporating the probability of photon-to-ALP oscillation into the model without ALPs.

Finally, two exclusion regions were obtained in the parameter space (mₐ, gₐγ): one exclusion region at 66.3% C.L. and another at 95.5% (one and two σ, respectively). This allows for determining which combinations of values for the mass and electromagnetic coupling constant of ALPs can be ruled out, as those combinations produce emission spectra with differences so significant compared to the intrinsic model that, if they existed, they should already have been detected. The test statistic used to determine the preferred model was ∆χ² = χ²_ALPs − χ²_without ALPs. The exclusion thresholds were determined using a Monte Carlo simulation, a common practice in this type of study. All of the above was carried out for two possible distances to the source J2019+368: L = 1.8 kpc and L = 4 kpc, since there is still discussion regarding the true distance of this astrophysical source.