Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array for probing cosmology and fundamental physics with gamma-ray propagation

Abdalla, H.; Abe, H.; Acero, F.; Acharyya, A.; Adam, R.; Agudo, I.; Aguirre-Santaella, A.; Alfaro, R.; Alfaro, J.; Alispach, C.; Aloisio, R.; Batista, R. A.; Amati, L.; Amato, E.; Ambrosi, G.; Anguner, E. O.; Araudo, A.; Armstrong, T.; Arqueros, F.; Arrabito, L.; Asano, K.; Ascasibar, Y.; Ashley, M.; Backes, M.; Balazs, C.; Balbo, M.; Balmaverde, B.; Larriva, A. B.; Martins, V. B.; Barkov, M.; Baroncelli, L.; De Almeida, U. B.; Barrio, J. A.; Batista, P. -I.; Gonzalez, J. B.; Becherini, Y.; Beck, G.; Tjus, J. B.; Belmont, R.; Benbow, W.; Bernardini, E.; Berti, A.; Berton, M.; Bertucci, B.; Beshley, V.; Bi, B.; Biasuzzi, B.; Biland, A.; Bissaldi, E.; Biteau, J.; Blanch, O.; Bocchino, F.; Boisson, C.; Bolmont, J.; Bonanno, G.; Arbeletche, L. B.; Bonnoli, G.; Bordas, P.; Bottacini, E.; Bottcher, M.; Bozhilov, V.; Bregeon, J.; Brill, A.; Brown, A. M.; Bruno, P.; Bruno, A.; Bulgarelli, A.; Burton, M.; Buscemi, M.; Caccianiga, A.; Cameron, R.; Capasso, M.; Caprai, M.; Caproni, A.; Capuzzo-Dolcetta, R.; Caraveo, P.; Carosi, R.; Carosi, A.; Casanova, S.; Cascone, E.; Cauz, D.; Cerny, K.; Cerruti, M.; Chadwick, P.; Chaty, S.; Chen, A.; Chernyakova, M.; Chiaro, G.; Chiavassa, A.; Chytka, L.; Conforti, V.; Conte, F.; Contreras, J. L.; Coronado-Blazquez, J.; Cortina, J.; Costa, A.; Costantini, H.; Covino, S.; Cristofari, P.; Cuevas, O.; D'Ammando, F.; Daniel, M. K.; Davies, J.; Dazzi, F.; Angelis, A. D.; De Lavergne, M. D. B.; Caprio, V. D.; De Dos Anjos, R. C.; De Gouveia Dal Pino, E. M.; Lotto, B. D.; Martino, D. D.; De Naurois, M.; Wilhelmi, E. D. O.; Palma, F. D.; De Souza, V.; Delgado, C.; Ceca, R. D.; Volpe, D. D.; Depaoli, D.; Girolamo, T. D.; Pierro, F. D.; Diaz, C.; Diaz-Bahamondes, C.; Diebold, S.; Djannati-Atai, A.; Dmytriiev, A.; Dominguez, A.; Donini, A.; Dorner, D.; Doro, M.; Dournaux, J.; Dwarkadas, V. V.; Ebr, J.; Eckner, C.; Einecke, S.; Ekoume, T. R. N.; Elsasser, D.; Emery, G.; Evoli, C.; Fairbairn, M.; Falceta-Goncalves, D.; Fegan, S.; Feng, Q.; Ferrand, G.; Fiandrini, E.; Fiasson, A.; Fioretti, V.; Foffano, L.; Fonseca, M. V.; Font, L.; Fontaine, G.; Franco, F. J.; Coromina, L. F.; Fukami, S.; Fukazawa, Y.; Fukui, Y.; Gaggero, D.; Galanti, G.; Gammaldi, V.; Garcia, E.; Garczarczyk, M.; Gascon, D.; Gaug, M.; Gent, A.; Ghalumyan, A.; Ghirlanda, G.; Gianotti, F.; Giarrusso, M.; Giavitto, G.; Giglietto, N.; Giordano, F.; Glicenstein, J.; Goldoni, P.; Gonzalez, J. M.; Gourgouliatos, K.; Grabarczyk, T.; Grandi, P.; Granot, J.; Grasso, D.; Green, J.; Grube, J.; Gueta, O.; Gunji, S.; Halim, A.; Harvey, M.; Collado, T. H.; Hayashi, K.; Heller, M.; Cadena, S. H.; Hervet, O.; Hinton, J.; Hiroshima, N.; Hnatyk, B.; Hnatyk, R.; Hoffmann, D.; Hofmann, W.; Holder, J.; Horan, D.; Horandel, J.; Horvath, P.; Hovatta, T.; Hrabovsky, M.; Hrupec, D.; Hughes, G.; Hutten, M.; Iarlori, M.; Inada, T.; Inoue, S.; Insolia, A.; Ionica, M.; Iori, M.; Jacquemont, M.; Jamrozy, M.; Janecek, P.; Martinez, I. J.; Jin, W.; Jung-Richardt, I.; Jurysek, J.; Kaaret, P.; Karas, V.; Karkar, S.; Kawanaka, N.; Kerszberg, D.; Khelifi, B.; Kissmann, R.; Knodlseder, J.; Kobayashi, Y.; Kohri, K.; Komin, N.; Kong, A.; Kosack, K.; Kubo, H.; Palombara, N. L.; Lamanna, G.; Lang, R. G.; Lapington, J.; Laporte, P.; Lefaucheur, J.; Lemoine-Goumard, M.; Lenain, J.; Leone, F.; Leto, G.; Leuschner, F.; Lindfors, E.; Lloyd, S.; Lohse, T.; Lombardi, S.; Longo, F.; Lopez, A.; Lopez, M.; Lopez-Coto, R.; Loporchio, S.; Lucarelli, F.; Luque-Escamilla, P. L.; Lyard, E.; Maggio, C.; Majczyna, A.; Makariev, M.; Mallamaci, M.; Mandat, D.; Maneva, G.; Manganaro, M.; Manico, G.; Marcowith, A.; Marculewicz, M.; Markoff, S.; Marquez, P.; Marti, J.; Martinez, O.; Martinez, M.; Martinez, G.; Martinez-Huerta, H.; Maurin, G.; Mazin, D.; Mbarubucyeye, J. D.; Miranda, D. M.; Meyer, M.; Micanovic, S.; Miener, T.; Minev, M.; Miranda, J. M.; Mitchell, A.; Mizuno, T.; Mode, B.; Moderski, R.; Mohrmann, L.; Molina, E.; Montaruli, T.; Moralejo, A.; Merino, J. M.; Morcuende-Parrilla, D.; Morselli, A.; Mukherjee, R.; Mundell, C.; Murach, T.; Muraishi, H.; Nagai, A.; Nakamori, T.; Nemmen, R.; Niemiec, J.; Nieto, D.; Nievas, M.; Nikolajuk, M.; Nishijima, K.; Noda, K.; Nosek, D.; Nozaki, S.; O'Brien, P.; Ohira, Y.; Ohishi, M.; Oka, T.; Ong, R. A.; Orienti, M.; Orito, R.; Orlandini, M.; Orlando, E.; Osborne, J. P.; Ostrowski, M.; Oya, I.; Pagliaro, A.; Palatka, M.; Paneque, D.; Pantaleo, F. R.; Paredes, J. M.; Parmiggiani, N.; Patricelli, B.; Pavletic, L.; Pe'Er, A.; Pech, M.; Pecimotika, M.; Peresano, M.; Persic, M.; Petruk, O.; Pfrang, K.; Piatteli, P.; Pietropaolo, E.; Pillera, R.; Pilszyk, B.; Pimentel, D.; Pintore, F.; Pita, S.; Pohl, M.; Poireau, V.; Polo, M.; Prado, R. R.; Prast, J.; Principe, G.; Produit, N.; Prokoph, H.; Prouza, M.; Przybilski, H.; Pueschel, E.; Puhlhofer, G.; Pumo, M. L.; Punch, M.; Queiroz, F.; Quirrenbach, A.; Rando, R.; Razzaque, S.; Rebert, E.; Recchia, S.; Reichherzer, P.; Reimer, O.; Reimer, A.; Renier, Y.; Reposeur, T.; Rhode, W.; Ribeiro, D.; Ribo, M.; Richtler, T.; Rico, J.; Rieger, F.; Rizi, V.; Rodriguez, J.; Fernandez, G. R.; Ramirez, J. C. R.; Vazquez, J. J. R.; Romano, P.; Romeo, G.; Roncadelli, M.; Rosado, J.; De Leon, A. R.; Rowell, G.; Rudak, B.; Rujopakarn, W.; Russo, F.; Sadeh, I.; Saha, L.; Saito, T.; Greus, F. S.; Sanchez, D.; Sanchez-Conde, M.; Sangiorgi, P.; Sano, H.; Santander, M.; Santos, E. M.; Sanuy, A.; Sarkar, S.; Saturni, F. G.; Sawangwit, U.; Scherer, A.; Schleicher, B.; Schovanek, P.; Schussler, F.; Schwanke, U.; Sciacca, E.; Scuderi, S.; Arroyo, M. S.; Sergijenko, O.; Servillat, M.; Seweryn, K.; Shalchi, A.; Sharma, P.; Shellard, R. C.; Siejkowski, H.; Sinha, A.; Sliusar, V.; Slowikowska, A.; Sokolenko, A.; Sol, H.; Specovius, A.; Spencer, S.; Spiga, D.; Stamerra, A.; Stanic, S.; Starling, R.; Stolarczyk, T.; Straumann, U.; Striskovic, J.; Suda, Y.; Swierk, P.; Tagliaferri, G.; Takahashi, H.; Takahashi, M.; Tavecchio, F.; Taylor, L.; Tejedor, L. A.; Temnikov, P.; Terrier, R.; Terzic, T.; Testa, V.; Tian, W.; Tibaldo, L.; Tonev, D.; Torres, D. F.; Torresi, E.; Tosti, L.; Tothill, N.; Tovmassian, G.; Travnicek, P.; Truzzi, S.; Tuossenel, F.; Umana, G.; Vacula, M.; Vagelli, V.; Valentino, M.; Vallage, B.; Vallania, P.; Eldik, C. V.; Varner, G. S.; Vassiliev, V.; Acosta, M. V.; Vecchi, M.; Veh, J.; Vercellone, S.; Vergani, S.; Verguilov, V.; Vettolani, G. P.; Viana, A.; Vigorito, C. F.; Vitale, V.; Vorobiov, S.; Vovk, I.; Vuillaume, T.; Wagner, S. J.; Walter, R.; Watson, J.; White, M.; White, R.; Wiemann, R.; Wierzcholska, A.; Will, M.; Williams, D. A.; Wischnewski, R.; Wolter, A.; Yamazaki, R.; Yanagita, S.; Yang, L.; Yoshikoshi, T.; Zacharias, M.; Zaharijas, G.; Zaric, D.; Zavrtanik, M.; Zavrtanik, D.; Zdziarski, A. A.; Zech, A.; Zechlin, H.; Zhdanov, V. I.; Zivec, M.

doi:10.1088/1475-7516/2021/02/048

The Cherenkov Telescope Array (CTA), the new-generation ground-based observatory for γ astronomy, provides unique capabilities to address significant open questions in astrophysics, cosmology, and fundamental physics. We study some of the salient areas of γ cosmology that can be explored as part of the Key Science Projects of CTA, through simulated observations of active galactic nuclei (AGN) and of their relativistic jets. Observations of AGN with CTA will enable a measurement of γ absorption on the extragalactic background light with a statistical uncertainty below 15% up to a redshift z=2 and to constrain or detect γ halos up to intergalactic-magnetic-field strengths of at least 0.3 pG . Extragalactic observations with CTA also show promising potential to probe physics beyond the Standard Model. The best limits on Lorentz invariance violation from γ astronomy will be improved by a factor of at least two to three. CTA will also probe the parameter space in which axion-like particles could constitute a significant fraction, if not all, of dark matter. We conclude on the synergies between CTA and other upcoming facilities that will foster the growth of γ cosmology.

Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array for probing cosmology and fundamental physics with gamma-ray propagation / Abdalla, H.; Abe, H.; Acero, F.; Acharyya, A.; Adam, R.; Agudo, I.; Aguirre-Santaella, A.; Alfaro, R.; Alfaro, J.; Alispach, C.; Aloisio, R.; Batista, R. A.; Amati, L.; Amato, E.; Ambrosi, G.; Anguner, E. O.; Araudo, A.; Armstrong, T.; Arqueros, F.; Arrabito, L.; Asano, K.; Ascasibar, Y.; Ashley, M.; Backes, M.; Balazs, C.; Balbo, M.; Balmaverde, B.; Larriva, A. B.; Martins, V. B.; Barkov, M.; Baroncelli, L.; De Almeida, U. B.; Barrio, J. A.; Batista, P. -I.; Gonzalez, J. B.; Becherini, Y.; Beck, G.; Tjus, J. B.; Belmont, R.; Benbow, W.; Bernardini, E.; Berti, A.; Berton, M.; Bertucci, B.; Beshley, V.; Bi, B.; Biasuzzi, B.; Biland, A.; Bissaldi, E.; Biteau, J.; Blanch, O.; Bocchino, F.; Boisson, C.; Bolmont, J.; Bonanno, G.; Arbeletche, L. B.; Bonnoli, G.; Bordas, P.; Bottacini, E.; Bottcher, M.; Bozhilov, V.; Bregeon, J.; Brill, A.; Brown, A. M.; Bruno, P.; Bruno, A.; Bulgarelli, A.; Burton, M.; Buscemi, M.; Caccianiga, A.; Cameron, R.; Capasso, M.; Caprai, M.; Caproni, A.; Capuzzo-Dolcetta, R.; Caraveo, P.; Carosi, R.; Carosi, A.; Casanova, S.; Cascone, E.; Cauz, D.; Cerny, K.; Cerruti, M.; Chadwick, P.; Chaty, S.; Chen, A.; Chernyakova, M.; Chiaro, G.; Chiavassa, A.; Chytka, L.; Conforti, V.; Conte, F.; Contreras, J. L.; Coronado-Blazquez, J.; Cortina, J.; Costa, A.; Costantini, H.; Covino, S.; Cristofari, P.; Cuevas, O.; D'Ammando, F.; Daniel, M. K.; Davies, J.; Dazzi, F.; Angelis, A. D.; De Lavergne, M. D. B.; Caprio, V. D.; De Dos Anjos, R. C.; De Gouveia Dal Pino, E. M.; Lotto, B. D.; Martino, D. D.; De Naurois, M.; Wilhelmi, E. D. O.; Palma, F. D.; De Souza, V.; Delgado, C.; Ceca, R. D.; Volpe, D. D.; Depaoli, D.; Girolamo, T. D.; Pierro, F. D.; Diaz, C.; Diaz-Bahamondes, C.; Diebold, S.; Djannati-Atai, A.; Dmytriiev, A.; Dominguez, A.; Donini, A.; Dorner, D.; Doro, M.; Dournaux, J.; Dwarkadas, V. V.; Ebr, J.; Eckner, C.; Einecke, S.; Ekoume, T. R. N.; Elsasser, D.; Emery, G.; Evoli, C.; Fairbairn, M.; Falceta-Goncalves, D.; Fegan, S.; Feng, Q.; Ferrand, G.; Fiandrini, E.; Fiasson, A.; Fioretti, V.; Foffano, L.; Fonseca, M. V.; Font, L.; Fontaine, G.; Franco, F. J.; Coromina, L. F.; Fukami, S.; Fukazawa, Y.; Fukui, Y.; Gaggero, D.; Galanti, G.; Gammaldi, V.; Garcia, E.; Garczarczyk, M.; Gascon, D.; Gaug, M.; Gent, A.; Ghalumyan, A.; Ghirlanda, G.; Gianotti, F.; Giarrusso, M.; Giavitto, G.; Giglietto, N.; Giordano, F.; Glicenstein, J.; Goldoni, P.; Gonzalez, J. M.; Gourgouliatos, K.; Grabarczyk, T.; Grandi, P.; Granot, J.; Grasso, D.; Green, J.; Grube, J.; Gueta, O.; Gunji, S.; Halim, A.; Harvey, M.; Collado, T. H.; Hayashi, K.; Heller, M.; Cadena, S. H.; Hervet, O.; Hinton, J.; Hiroshima, N.; Hnatyk, B.; Hnatyk, R.; Hoffmann, D.; Hofmann, W.; Holder, J.; Horan, D.; Horandel, J.; Horvath, P.; Hovatta, T.; Hrabovsky, M.; Hrupec, D.; Hughes, G.; Hutten, M.; Iarlori, M.; Inada, T.; Inoue, S.; Insolia, A.; Ionica, M.; Iori, M.; Jacquemont, M.; Jamrozy, M.; Janecek, P.; Martinez, I. J.; Jin, W.; Jung-Richardt, I.; Jurysek, J.; Kaaret, P.; Karas, V.; Karkar, S.; Kawanaka, N.; Kerszberg, D.; Khelifi, B.; Kissmann, R.; Knodlseder, J.; Kobayashi, Y.; Kohri, K.; Komin, N.; Kong, A.; Kosack, K.; Kubo, H.; Palombara, N. L.; Lamanna, G.; Lang, R. G.; Lapington, J.; Laporte, P.; Lefaucheur, J.; Lemoine-Goumard, M.; Lenain, J.; Leone, F.; Leto, G.; Leuschner, F.; Lindfors, E.; Lloyd, S.; Lohse, T.; Lombardi, S.; Longo, F.; Lopez, A.; Lopez, M.; Lopez-Coto, R.; Loporchio, S.; Lucarelli, F.; Luque-Escamilla, P. L.; Lyard, E.; Maggio, C.; Majczyna, A.; Makariev, M.; Mallamaci, M.; Mandat, D.; Maneva, G.; Manganaro, M.; Manico, G.; Marcowith, A.; Marculewicz, M.; Markoff, S.; Marquez, P.; Marti, J.; Martinez, O.; Martinez, M.; Martinez, G.; Martinez-Huerta, H.; Maurin, G.; Mazin, D.; Mbarubucyeye, J. D.; Miranda, D. M.; Meyer, M.; Micanovic, S.; Miener, T.; Minev, M.; Miranda, J. M.; Mitchell, A.; Mizuno, T.; Mode, B.; Moderski, R.; Mohrmann, L.; Molina, E.; Montaruli, T.; Moralejo, A.; Merino, J. M.; Morcuende-Parrilla, D.; Morselli, A.; Mukherjee, R.; Mundell, C.; Murach, T.; Muraishi, H.; Nagai, A.; Nakamori, T.; Nemmen, R.; Niemiec, J.; Nieto, D.; Nievas, M.; Nikolajuk, M.; Nishijima, K.; Noda, K.; Nosek, D.; Nozaki, S.; O'Brien, P.; Ohira, Y.; Ohishi, M.; Oka, T.; Ong, R. A.; Orienti, M.; Orito, R.; Orlandini, M.; Orlando, E.; Osborne, J. P.; Ostrowski, M.; Oya, I.; Pagliaro, A.; Palatka, M.; Paneque, D.; Pantaleo, F. R.; Paredes, J. M.; Parmiggiani, N.; Patricelli, B.; Pavletic, L.; Pe'Er, A.; Pech, M.; Pecimotika, M.; Peresano, M.; Persic, M.; Petruk, O.; Pfrang, K.; Piatteli, P.; Pietropaolo, E.; Pillera, R.; Pilszyk, B.; Pimentel, D.; Pintore, F.; Pita, S.; Pohl, M.; Poireau, V.; Polo, M.; Prado, R. R.; Prast, J.; Principe, G.; Produit, N.; Prokoph, H.; Prouza, M.; Przybilski, H.; Pueschel, E.; Puhlhofer, G.; Pumo, M. L.; Punch, M.; Queiroz, F.; Quirrenbach, A.; Rando, R.; Razzaque, S.; Rebert, E.; Recchia, S.; Reichherzer, P.; Reimer, O.; Reimer, A.; Renier, Y.; Reposeur, T.; Rhode, W.; Ribeiro, D.; Ribo, M.; Richtler, T.; Rico, J.; Rieger, F.; Rizi, V.; Rodriguez, J.; Fernandez, G. R.; Ramirez, J. C. R.; Vazquez, J. J. R.; Romano, P.; Romeo, G.; Roncadelli, M.; Rosado, J.; De Leon, A. R.; Rowell, G.; Rudak, B.; Rujopakarn, W.; Russo, F.; Sadeh, I.; Saha, L.; Saito, T.; Greus, F. S.; Sanchez, D.; Sanchez-Conde, M.; Sangiorgi, P.; Sano, H.; Santander, M.; Santos, E. M.; Sanuy, A.; Sarkar, S.; Saturni, F. G.; Sawangwit, U.; Scherer, A.; Schleicher, B.; Schovanek, P.; Schussler, F.; Schwanke, U.; Sciacca, E.; Scuderi, S.; Arroyo, M. S.; Sergijenko, O.; Servillat, M.; Seweryn, K.; Shalchi, A.; Sharma, P.; Shellard, R. C.; Siejkowski, H.; Sinha, A.; Sliusar, V.; Slowikowska, A.; Sokolenko, A.; Sol, H.; Specovius, A.; Spencer, S.; Spiga, D.; Stamerra, A.; Stanic, S.; Starling, R.; Stolarczyk, T.; Straumann, U.; Striskovic, J.; Suda, Y.; Swierk, P.; Tagliaferri, G.; Takahashi, H.; Takahashi, M.; Tavecchio, F.; Taylor, L.; Tejedor, L. A.; Temnikov, P.; Terrier, R.; Terzic, T.; Testa, V.; Tian, W.; Tibaldo, L.; Tonev, D.; Torres, D. F.; Torresi, E.; Tosti, L.; Tothill, N.; Tovmassian, G.; Travnicek, P.; Truzzi, S.; Tuossenel, F.; Umana, G.; Vacula, M.; Vagelli, V.; Valentino, M.; Vallage, B.; Vallania, P.; Eldik, C. V.; Varner, G. S.; Vassiliev, V.; Acosta, M. V.; Vecchi, M.; Veh, J.; Vercellone, S.; Vergani, S.; Verguilov, V.; Vettolani, G. P.; Viana, A.; Vigorito, C. F.; Vitale, V.; Vorobiov, S.; Vovk, I.; Vuillaume, T.; Wagner, S. J.; Walter, R.; Watson, J.; White, M.; White, R.; Wiemann, R.; Wierzcholska, A.; Will, M.; Williams, D. A.; Wischnewski, R.; Wolter, A.; Yamazaki, R.; Yanagita, S.; Yang, L.; Yoshikoshi, T.; Zacharias, M.; Zaharijas, G.; Zaric, D.; Zavrtanik, M.; Zavrtanik, D.; Zdziarski, A. A.; Zech, A.; Zechlin, H.; Zhdanov, V. I.; Zivec, M.. - In: JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS. - ISSN 1475-7516. - 2021:2(2021). [10.1088/1475-7516/2021/02/048]