Kurzfassung
Gut motivierte Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik sagen ultraleichte, fundamentale pseudoskalare Teilchen voraus (z.B. Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen: ALPs). Auf der Grundlage des Primakoff-Efekts können Axionen und ALPs in Photonen konvertieren und somit in Labor-Experimenten oder mit Hilfe astro-physikalischer Beobachtungen gesucht werden. Ein Hinweis auf eine anormale Transparenz des Universums für über kosmologische Distanzen propagierende Gamma-Strahlen wurde gefunden. Eine mögliche Erklärung hierfür basiert auf dem Bruch einer Peccei-Quinn U(1) Symmetrie bei höheren Energieskalen. In dieser Arbeit werden Daten des Fermi-LAT gamma-ray Teleskopes ausgewertet, um anhand der gemessenen Energiespektren nach Abweichungen von der erwarteten optischen Tiefe zu suchen, und den Parameterraum der ALPs einzuschrnken. Fermi-LAT Daten von selektierten galaktischen Pulsaren, deren Sichtlinie die galaktischen Arme mit einem groen Winkel zum galaktischen Zentrum (engl. pitch-angle) kreuzt, wurden analysiert. Das galaktische Magnetfeld folgt der Form der Spiralarme, so dass eine hohe Photon-ALP- Konversionswahrscheinlichkeit für diese Quellen erwartet werden kann. In einem 9 Jahre umfassenden Fermi-LAT Datensatz der selektierten Quellen wurden mit Photon-ALPs Konversion konsistente spektrale Eigenschaften entdeckt. Die kombinierte statistische Signikanz dieser Analyse beträgt 4.6 . Aus einer Modellanpassung an alle Daten wurden die wahrscheinlichsten Werte für die Masse ma und die Kopplung g_a mit m_a = (3.6^(+0.5_stat.)_(-0.2_stat)+-0.2syst.) neV und g_(alpha,gamma) = (2.3(+0.3_stat.)_(-0.4_stat)+-0.4syst.)X10^-10GeV^-1 bestimmt. In die systematischen Fehler gehen instrumentale Effekte, die Skalierung des galaktischen Magnetfeldmodells (20-40%) und Unsicherheiten der Distanzen einzelner Quellen ein. Die Methode wurde verbessert, indem existierende galaktische und intergalaktische Magnetfeldmodelle mit Hilfe von Daten des Planck-Satelliten verbessert wurden. Es muss allerdings angemerkt werden, dass die Mage feldstruktur, insbesondere für Quellen im inneren Bereich der Galaxie, nicht gut bekannt ist. Ausserdem ist der wichtige Önungswinkel der Spiralarme nicht gut eingeschränkt. Interessanterweise passt die ALP-Hypothese auch zu den Daten, wenn andere galaktische Magnetfeldmodelle verwendet werden. Zustzlich wurde eine hnliche Studie mit ausgewählten, hellen Quellen innerhalb und ausserhalb der Galaktischen Ebene durchgeführt. Einige dieser Quellen zeigen auf Photon-ALPs Konversion hindeutende spektrale Eigenschaften. Dabei ist es ermutigend festzustellen, dass die spektralen Abweichungen für unterschiedliche Quellpositionen unterschiedlich stark ausgeprägt sind, da die Photonen einer astrophysikalischen Quelle durch unterschiedliche Magnetfeldstrukturen propagieren.
Well-motivated extensions of the standard model of the particle physics predict ultralight and fundamental pseudo-scalar particles (e.g., axions or axion-like particles: ALPs) to exist. Similarly to the Primakoff-effect for axions, ALPs can mix with photons and consequently be searched for in laboratory experiments and with astrophysical observations. An indication for an anomalous transparency of the Universe has been found for gamma-rays propagating through cosmological distances. A possible explanation of this anomaly could be the mixing of energetic photons with an ultra-light ALPs which is related to a Peccei-Quinn type U(1) symmetry broken at a higher energy scale. In this thesis, we investigated the observational data of orbital gamma-ray telescope and used energy spectra to search for deviations from the expected optical depth and constrain the parameter space of ALPs. We analyzed the data recorded with the Fermi -LAT from Galactic pulsars selected to have a line of sight crossing spiral arms at a largepitch angle. The large-scale Galactic magnetic field traces the shape of spiral arms, such that a sizable photon-ALP conversion probability is expected for the sources considered. In nine years of Fermi -LAT data, we detect significant spectral features in the selected source-sample consistent with photon-ALPs oscillation with a combined statistical significance of 4.6 sigma. From a common fit to all sources, we determine the most-likely parameters for mass m_a and coupling g_(alpha,gamma) to be m_a = (3.6^(+0.5_stat.)_(-0.2_stat)+-0.2syst.) neV and g_(alpha,gamma) = (2.3(+0.3_stat.)_(-0.4_stat)+-0.4syst.)X10^-10GeV^-1. In the error budget, we consider instrumental effects, scaling of the adopted Galactic magnetic field model ( 20-40 %), and uncertainties on the distance of individual sources.We refined the search method and improved the existing magnetic field models in the Galaxy and in inter-galactic space with the Planck data. We note, however, that we do have limited knowledge about the magnetic field structure especially for the sources which are located in the inner part of the Galaxy and also that the crucial opening angle of the spiral arms is not well constrained. Besides, with the help of other Galactic magnetic field model, it is interesting to note that our ALP-hypothesis works nicely. Additionally, a similar study has been conducted for selected bright Galactic plane and non-Galactic plane sources. Some of the sources exhibit spectral irregularities due to photon-ALPs mixing, however it is nice to see that spectral features for the sources differ with the location as the photons emitted from an astrophysical source traverse through different intensity magnetic field domain. A multi-wavelength spectral energy distribution (SED) for the non-Galactic plane sources have been shown to study the astronomical features of the sources.