利用 Sunyaev-Zel'dovich 效应探测光子衰变

光子的基本性质对涉及它的天体物理过程有着深远影响，例如星系团大气中高能电子对宇宙微波背景 (CMB) 光子的逆康普顿散射，通常称为 Sunyaev-Zel'dovich 效应 (SZE)。我们通过研究最近计算得出的 (Heeck 2013) 修正 CMB 谱对星系团 SZE 的影响，计算了对光子衰变时间和质量的联合约束。我们详细分析了由光子衰变效应产生的 SZE 修正。我们深入研究了这些修正较大的频率区域，以及在此区域内从 SZE 导出的约束相对于已从 CMB 谱获得的约束更强的情况。我们表明，SZE 可以对光子衰变时间和质量，或对 $E^* = \frac{t_0}{\tau_\gamma}m_\gamma c^2$ 设定比从 CMB 获得的更强的限制：主要约束来自低频范围 $\nu \approx 10-50$ GHz，其中修正后的 SZE $\Delta I_{mod}$ 大于标准 SZE $\Delta I$，且差值 $|(\Delta I_{mod} - \Delta I)|$ 随 $E^*$ 值的增加而随频率增加；在 $120 - 180$ GHz 范围内可设定额外约束，该范围内 $\Delta I_{mod}$ 的最小值频率位置相对于标准值随 $E^*$ 值的增加而增加。我们证明，光子衰变效应可以在 $\approx 10-30$ GHz 的最佳范围内由平方公里阵列 (Square Kilometer Array) 进行测量或约束，对于 A2163，分别设定 $E^* \leq 1.4 \times 10^{-9}$ eV 和 $5 \times 10^{-10}$ eV 的限制（对应 30 小时和 260 小时的积分时间）。这些限制强于通过 COBE-FIRAS 对 CMB 的光谱测量所获得的限制。