Photo-production of axions in Supernovae
Abstract: Compact stellar objects like supernovae and neutron stars are believed to cool by emitting axions predominantly via axion bremsstrahlung ($NN \to NNa$), pion conversion ($\pi- p+ \to N a$) and photo-production ($\gamma N \to N a$). In this paper, we study in detail the photo-production channel, from the unavoidable anomaly induced Wess-Zumino-Witten term $\propto \epsilon{\mu \nu \alpha \beta}\, F_{\mu \nu}\, \partial_\alpha a \, \omega_\beta$ in conjunction with the low energy pion photo-production data. We found that for heavier axions, i.e., $m_a\sim\mathcal{O}(100)$ MeV, photo-production processes can be dominant compared to the usual axion emission processes. In addition, the spectrum of axions emitted in the process is significantly harder than those originating from bremsstrahlung.
- R. D. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. Lett. 38, 1440 (1977a).
- R. D. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. D 16, 1791 (1977b).
- S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 40, 223 (1978).
- F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 40, 279 (1978).
- G. ’t Hooft, Phys. Rev. Lett. 37, 8 (1976).
- M. Dine and W. Fischler, Phys. Lett. B 120, 137 (1983).
- L. F. Abbott and P. Sikivie, Phys. Lett. B 120, 133 (1983).
- A. Hook and G. Marques-Tavares, JHEP 12, 101 (2016), arXiv:1607.01786 [hep-ph] .
- S. Trifinopoulos and M. Vanvlasselaer, Phys. Rev. D 107, L071701 (2023), arXiv:2210.13484 [hep-ph] .
- R. T. Co and K. Harigaya, Phys. Rev. Lett. 124, 111602 (2020), arXiv:1910.02080 [hep-ph] .
- J. Blumlein et al., Z. Phys. C 51, 341 (1991).
- F. Bergsma et al. (CHARM), Phys. Lett. B 157, 458 (1985).
- A. Aguilar-Arevalo et al. (PIENU), Phys. Lett. B 798, 134980 (2019), arXiv:1904.03269 [hep-ex] .
- D. Pocanic et al., Phys. Rev. Lett. 93, 181803 (2004), arXiv:hep-ex/0312030 .
- D. S. M. Alves and N. Weiner, JHEP 07, 092 (2018), arXiv:1710.03764 [hep-ph] .
- A. V. Artamonov et al. (E949), Phys. Lett. B 623, 192 (2005), arXiv:hep-ex/0505069 .
- C. Lazzeroni et al. (NA62), Phys. Lett. B 732, 65 (2014), arXiv:1402.4334 [hep-ex] .
- J. K. Ahn et al. (KOTO), Phys. Rev. Lett. 122, 021802 (2019), arXiv:1810.09655 [hep-ex] .
- G. G. Raffelt, physrep 198, 1 (1990).
- N. Iwamoto, Phys. Rev. Lett. 53, 1198 (1984).
- N. Iwamoto, Phys. Rev. D 64, 043002 (2001a).
- M. S. Turner, Phys. Rev. D 45, 1066 (1992).
- G. Raffelt and D. Seckel, Phys. Rev. D 52, 1780 (1995).
- P. W. Graham and S. Rajendran, Phys. Rev. D 88, 035023 (2013), arXiv:1306.6088 [hep-ph] .
- J. Wess and B. Zumino, Phys. Lett. B 37, 95 (1971).
- E. Witten, Nucl. Phys. B 223, 422 (1983).
- H. Kawai and S. H. H. Tye, Phys. Lett. B 140, 403 (1984).
- N. K. Pak and P. Rossi, Nucl. Phys. B 250, 279 (1985).
- C. T. Hill and R. J. Hill, Phys. Rev. D 76, 115014 (2007), arXiv:0705.0697 [hep-ph] .
- N. Iwamoto, Phys. Rev. D 64, 043002 (2001b).
- P. Agrawal et al., Eur. Phys. J. C 81, 1015 (2021), arXiv:2102.12143 [hep-ph] .
- V. Anastassopoulos et al. (CAST), Nature Phys. 13, 584 (2017), arXiv:1705.02290 [hep-ex] .
- J. Redondo and A. Ringwald, Contemp. Phys. 52, 211 (2011), arXiv:1011.3741 [hep-ph] .
- G. E. Brown and M. Rho, Phys. Rev. Lett. 66, 2720 (1991).
- G. G. Raffelt, The Astrophysical Journal 561, 890 (2001).
- nphysa 473, 760 (1987).
- M. Rho, Phys. Rev. Lett. 54, 767 (1985).
- D. N. Voskresensky, Lect. Notes Phys. 578, 467 (2001), arXiv:astro-ph/0101514 .
- T. Fischer, Astron. Astrophys. 593, A103 (2016), arXiv:1608.05004 [astro-ph.HE] .
- J. E. Kim, Phys. Rev. Lett. 43, 103 (1979).
- A. R. Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. Phys. 31, 260 (1980).
- K. Abe et al.,  (2011), arXiv:1109.3262 [hep-ex] .
- E. M. Henley and A. Garcia, Subatomic Physics: Third Edition (2007).
- S. Hannestad and G. Raffelt, Astrophys. J. 507, 339 (1998), arXiv:astro-ph/9711132 .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.