[論文レビュー] A Diffraction Grating for the Cosmic Neutrino Background and Dark Matter

Asimina Arvanitaki, Savas Dimopoulos|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、1〜100メートルのサイズのマクロな海綿状の回折格子構造を提案し、位相格子効果により、宇宙ニュートリノ背景（CνB）の非対称性を最大で約10^6倍に増幅することで、地球のニュートリノ反射よりも約10^3倍強い力が発生する。この設計は、QCDアクシオンとされるダークマターの効率的回折を可能とし、CνB単体による力よりも最大で100倍強い勾配力を生じる。

ABSTRACT

We propose structures of size between $\sim 1$ meter to 100 meters that drastically alter the local distribution of the Cosmic Neutrino Background ($CνB$). These structures have a shape reminiscent of a sea urchin: They consist of rods of width $w$ and length $L \gg w$ periodically arranged on the surface of sphere of radius $R\sim L$. Such a structure functions as a diffraction phase grating and produces a region around its center where the fractional neutrino-antineutrino asymmetry is $\sim kδ_νL$, where $k$ is the neutrino momentum, and $δ_ν$ the deviation of the neutrino index of refraction from unity. The asymmetry has a gradient set by the rod width. We find that the local neutrino asymmetry can be enhanced by $\mathcal{O}( ext{few} imes 10^6)$ relative to the naive Standard Model expectation, for reasonably sized structures. This results in a force $\mathcal{O}(10^3)$ times bigger than the one we recently pointed out due to the neutrinos' reflection on the surface of the Earth. While in this paper we do not propose a concrete detection setup, we estimate that the $\mathcal{O}(G_F)$ force on a test mass can be close to the Standard Quantum Limit of a torsion balance or a low frequency harmonic oscillator. Finally, we show that this $C νB$ diffractor can be used as a Dark Matter diffractor. For example, the QCD axion Dark Matter with decay constant $f_a$ around $10^9$ GeV can be sufficiently diffracted to produce a gradient force that is up to $\mathcal{O}(10^2)$ times larger than the one from the $C νB$. This is the first setup of this kind and the simplicity of our design suggests that there could be significant improvements that escape us.

研究の動機と目的

• 宇宙ニュートリノ背景（CνB）の局所的分布を顕著に変化させ得るマクロな構造を探索すること。
• ニュートリノ・反ニュートリノ非対称性勾配を増幅可能な位相格子構造を設計すること。
• 同様の構造がQCDアクシオンとされるダークマターの回折体としても機能できることを示すこと。
• 現在のニュートリノおよびダークマター相互作用の高精度検証における感度を上回る、新規で単純な実験設定を同定すること。

提案手法

• 幅w、長さL ≫ wの周期的に配置された棒を有する球形構造を設計し、球の半径をR ≈ Lとする。
• 系を、ニュートリノの屈折率を変調する回折位相格子としてモデル化し、CνBにおける非対称性の空間的変動を生じさせる。
• 棒の幅の勾配を用いてニュートリノ非対称性の空間スケールを設定し、屈折率のずれδνの勾配に比例する力が生じることを示す。
• ニュートリノ非対称性に対する標準模型の期待値と比較して、力の増幅係数がO(数×10^6)であることを導出する。
• モデルを拡張し、同様の構造がQCDアクシオンとされるダークマターの回折を可能とし、CνB単体による力と比較して最大でO(10^2)倍強い勾配力を生じることを示す。
• テスト質量に作用する力を、ねじり秤または低周波数調和振動子の標準量子限界に近い値に推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロで構造化された物体は、宇宙ニュートリノ背景におけるニュートリノ・反ニュートリノ非対称性を顕著に増幅できるか？
• RQ2 このような回折格子構造による力の増幅は、地球における自然なニュートリノ散乱と比較して最大でどの程度の増幅が達成可能か？
• RQ3 同様の構造はQCDアクシオンとされるダークマターを効率的に回折可能か？また、その結果生じる力はCνBによる力と比較してどの程度か？
• RQ4 テスト質量に作用する力の大きさはどの程度か？また、高精度測定装置における標準量子限界にどの程度近いか？

主な発見

• 提案された構造は、標準模型の単純な期待値と比較して、局所的なCνBニュートリノ・反ニュートリノ非対称性を約10^6倍に増幅する。
• テスト質量に作用する力は、地球におけるニュートリノ反射に起因する力と比較して約10^3倍に増幅される。
• テスト質量に作用する力の大きさは、ねじり秤または低周波数調和振動子の標準量子限界のオーダーに達する。
• 同様の構造はQCDアクシオンとされるダークマターを回折可能であり、CνB単体による力と比較して最大で100倍強い勾配力を生じる。
• 設計は単純であり、現在の推定値を上回るさらなる改善の可能性を示唆する。