Photon rest mass from localized fast radio bursts with improved distribution of dispersion measure from extragalactic gas

Resumen Técnico: Restricciones de la Masa en Reposo del Fotón a partir de Brotes Rápidos de Radio Localizados

Planteamiento del Problema
La suposición de que los fotones carecen de masa es un postulado fundamental de la física moderna, específicamente de la relatividad especial de Einstein, que postula la invariancia de la velocidad de la luz. Sin embargo, esta hipótesis está sujeta a verificación experimental. Una masa en reposo de fotón no nula ($m_\gamma$) induciría una velocidad de grupo dependiente de la frecuencia, causando que los componentes de mayor frecuencia de una señal viajen más rápido que los de menor frecuencia. Esto resulta en un retraso temporal mensurable para los fotones emitidos simultáneamente desde una fuente distante. Mientras que las pruebas terrestres y las observaciones astrofísicas (por ejemplo, brotes de rayos gamma) han restringido la masa del fotón, los Brotes Rápidos de Radio (FRB, por sus siglas en inglés) ofrecen un laboratorio único debido a sus distancias cosmológicas y sus precisas mediciones de dispersión.

Un desafío crítico al utilizar los FRB para restringir $m_\gamma$ es el modelado preciso de la medida de dispersión (DM) proveniente del gas extragaláctico ($DM_{cosmic}$). Estudios previos dependieron de funciones de distribución (por ejemplo, Macquart et al. [38]) que posteriormente se descubrió que estimaban erróneamente los momentos estadísticos o carecían de información cosmológica explícita (Konietzka et al. [56]). Además, las observaciones recientes del Instrumento de Espectroscopía de Energía Oscura (DESI) favorecen la energía oscura dinámica sobre la constante cosmológica estándar ($\Lambda$), lo que requiere una reevaluación de las restricciones de la masa del fotón dentro de modelos que acomodan la energía oscura dinámica ($w$CDM y $w_0w_a$CDM).

Metodología
Los autores proponen un enfoque refinado para restringir $m_\gamma$ integrando un modelado estadístico mejorado del gas extragaláctico con un análisis cosmológico de múltiples sondas.

1. Distribución de $DM_{cosmic}$ Mejorada:
   Los autores construyen una función de densidad de probabilidad (PDF) mejorada para la medida de dispersión extragaláctica. Este modelo:

   • Restaura un factor de normalización faltante ($1/\langle DM_{cosmic} \rangle$) presente en formulaciones previas.
   • Permite que los parámetros de forma $\alpha$ y $\beta$ varíen con el corrimiento al rojo (redshift), en lugar de tratarlos como constantes fijas.
   • Es calibrado contra datos simulados (mock data), donde la prueba de Kolmogorov–Smirnov confirma que variar los tres parámetros ($\alpha, \beta, \sigma_{cosmic}$) proporciona un ajuste significativamente mejor que los modelos de parámetros fijos.

2. Marco Teórico:
   El retraso temporal inducido por una masa de fotón no nula se interpreta como una medida de dispersión efectiva ($DM_\gamma$). La dispersión total observada se modela como:
   $$DM_{obs} = DM_{MW}^{ISM} + DM_{MW}^{halo} + DM_{cosmic} + \frac{DM_{host}}{1+z} + DM_\gamma$$
   El análisis emplea tres modelos cosmológicos planos: $\Lambda$CDM, $w$CDM y $w_0w_a$CDM (este último favorecido por los datos recientes de DESI BAO), donde el parámetro de Hubble adimensional $\tilde{E}(z)$ se define de manera distinta para cada modelo para dar cuenta de la energía oscura dinámica.

3. Conjuntos de Datos y Verosimilitud:
   El estudio combina cuatro conjuntos de datos distintos para romper las degeneraciones entre los parámetros cosmológicos y la masa del fotón:

   • FRBs: Una muestra de 104 FRBs localizados (seleccionados de una compilación de 115, excluyendo valores atípicos y aquellos con localización de anfitrión ambigua).
   • SN Ia: 1,590 Supernovas Tipo Ia de la compilación Pantheon+.
   • CMB: Parámetros derivados de Planck 2018 ($l_A, R, \Omega_b h^2$).
   • BAO: Mediciones más recientes de DESI Data Release 2 (DR2).

   Se construye una función de log-verosimilitud conjunta y se realizan simulaciones de Monte Carlo por Cadenas de Markov (MCMC) utilizando el paquete emcee.

4. Tratamiento de la Galaxia Anfitriona:
   La medida de dispersión de la galaxia anfitriona ($DM_{host}$) se modela como una distribución log-normal. Los autores realizan dos análisis: uno donde los parámetros del anfitrión ($\mu_{host}, \sigma_{host}$) se fijan basados en simulaciones de IllustrisTNG (que asumen $\Lambda$CDM), y otro donde estos parámetros se tratan como variables libres para evaluar posibles sesgos.

Resultados Clave
El análisis arroja los siguientes límites superiores de 1$\sigma$ para la masa en reposo del fotón ($m_\gamma$):

• Modelo $\Lambda$CDM: $m_\gamma \leq 4.83 \times 10^{-51}$ kg
• Modelo $w$CDM: $m_\gamma \leq 4.71 \times 10^{-51}$ kg
• Modelo $w_0w_a$CDM: $m_\gamma \leq 4.86 \times 10^{-51}$ kg

Al tratar los parámetros de la galaxia anfitriona ($\mu_{host}, \sigma_{host}$) como parámetros libres en lugar de fijarlos a los valores de IllustrisTNG, las restricciones se vuelven ligeramente más estrictas:

• $\Lambda$CDM: $m_\gamma \leq 4.28 \times 10^{-51}$ kg
• $w$CDM: $m_\gamma \leq 4.26 \times 10^{-51}$ kg
• $w_0w_a$CDM: $m_\gamma \leq 4.22 \times 10^{-51}$ kg

Los parámetros cosmológicos ($H_0, \Omega_{m0}, \Omega_{b0}h^2$) derivados en este estudio son consistentes con determinaciones previas de Planck, DESI y ACT. El análisis también encuentra una preferencia por la energía oscura dinámica en el modelo $w_0w_a$CDM, con un $w_0$ notablemente mayor que $-1$ y un $w_a$ que se desvía de cero a $>2\sigma$, alineándose con los hallazgos recientes de DESI.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar las restricciones más estrictas sobre la masa del fotón derivadas de FRBs hasta la fecha. Los autores enfatizan que sus resultados ofrecen un apoyo empírico robusto y confiable para la naturaleza de la masa nula del fotón.

Un aspecto crucial de la significancia del artículo es la corrección de la función de distribución de $DM_{cosmic}$. Los autores señalan que estudios previos (por ejemplo, [46, 57, 59]) que reportaron límites más estrictos (por ejemplo, $m_\gamma \leq 3.1 \times 10^{-51}$ kg) utilizaron la distribución no corregida de Macquart et al. [38], la cual omitía el factor de normalización. Los autores argumentan que esta omisión sesgó significativamente las restricciones previas. Al incorporar la distribución corregida y utilizar un conjunto de datos exhaustivo (FRB + SN Ia + CMB + BAO) a través de múltiples modelos cosmológicos, este trabajo establece una base más fiable para probar la hipótesis de la masa del fotón.

Los autores señalan modestamente que los límites de la masa del fotón inferidos muestran poca sensibilidad al modelo cosmológico de fondo asumido o al tratamiento de los parámetros de la galaxia anfitriona, aunque advierten que la muestra actual de FRB está dominada por fuentes de bajo corrimiento al rojo, lo que puede limitar la sensibilidad a los efectos cosmológicos de alto corrimiento al rojo.