[論文レビュー] Axion Dark Matter Search with Interferometric Gravitational Wave Detectors

Koji Nagano, Ippei Obata+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、アドバンスド・リゴ、コズミック・エクスプローラ、デシゴの干渉型重力波検出器に用いられるファブリ-ペロー共振器を応用し、アキソン-光子結合に起因する左・右円偏光光子間の微小な位相差を測定することで、アキソンであるとされるダークマターを探索する手法を提案している。この手法は、重力波検出感度を損なわずに、アキソン質量がそれぞれ $ m \simeq 3 \times 10^{-13} $ eV および $ 2 \times 10^{-15} $ eV の場合に、$ g_{\text{a}\gamma} \simeq 8 \times 10^{-13}~\text{GeV}^{-1} $（コズミック・エクスプローラに類似した構成）および $ 4 \times 10^{-14}~\text{GeV}^{-1} $（アドバンスド・リゴに類似した構成）の感度を達成する。

ABSTRACT

Axion dark matter differentiates the phase velocities of the circular-polarized photons. In Phys.Rev.Lett. 123 (2019) no.11, 111301, we have proposed a scheme to measure the phase difference by using a linear optical cavity. If the scheme is applied to the Fabry-Pérot arm of Advanced LIGO-like (Cosmic-Explorer-like) gravitational wave detector, the potential sensitivity to the axion-photon coupling constant, $g_{ ext{a}γ}$, reaches $g_{ ext{a}γ} \simeq 8 imes10^{-13} ext{GeV}^{-1}\, (4 imes 10^{-14} ext{GeV}^{-1})$ at the axion mass $m \simeq 3 imes 10^{-13}$ eV ($2 imes10^{-15}$ eV) and remains at around this sensitivity for 3 orders of magnitude in mass. Furthermore, its sensitivity has a sharp peak reaching $g_{ ext{a}γ} \simeq 10^{-14} ext{GeV}^{-1}\ (8 imes10^{-17} ext{GeV}^{-1})$ at $m = 1.563 imes10^{-10}$ eV ($1.563 imes10^{-11}$ eV). This sensitivity can be achieved without loosing any sensitivity to gravitational waves.

研究の動機と目的

• 既存の干渉型重力波検出器のコア機能を変更せずに、アキソンダークマターを検出する新しい手法を開発すること。
• 強磁場や超伝導磁石を必要とする従来のアキソン探索手法の限界を克服すること。
• ファブリ-ペロー共振器内でのアキソン-光子結合に起因する円偏光光子間の位相速度差を活用すること。
• 広いアキソン質量範囲にわたり、ショットノイズ制限下でのアキソン-光子結合定数 $ g_{\text{a}\gamma} $ の感度を達成すること。
• 重力波検出器が、重力波検出と同時にアキソン探索を実施可能であり、感度の低下がないことを示すこと。

提案手法

• 本手法は、重力波検出器に組み込まれた線形ファブリ-ペロー共振器を用い、ダークマターとしてのアキソンに起因する左・右円偏光光子間の位相速度差を検出する。
• アキソンに起因する位相差 $ \delta\phi(t) $ は、共振器長、ミラー反射率、アキソン質量に依存する応答関数 $ H_{\text{a}}(m) $ を介してモデル化される。
• 信号は検出ポートでの偏光モードの変調を測定することで抽出され、共振器の自由分割範囲（Finesse）に一致する共振状態および $ mL \ll 1 $ の低質量領域で最適な感度が得られる。
• ショットノイズ制限下での信号対雑音比（SNR）を計算し、観測時間 $ T_{\text{obs}} $ がアキソン振動のコherency時間 $ \tau $ より短いか長いかに応じて、異なるスケーリング則が成り立つ。
• 臨界結合状態の共振器では検出ポート（a）が最適であり、過剰結合状態ではポート（b）がより優れた性能を示す。
• 本手法は既存のインターフェロメータ構造と互換性があり、重力波信号と同様の方法でアキソン信号を抽出することで、ハードウェアの大幅な改造を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の干渉型重力波検出器を、重力波検出感度を損なわずに、アキソンダークマター探索に再利用可能か？
• RQ2 重力波検出器に組み込まれたファブリ-ペロー共振器を用いた場合、アキソン-光子結合定数 $ g_{\text{a}\gamma} $ の理論的感度限界はどの程度か？
• RQ3 アキソンに起因する円偏光光子間の位相差は、アキソン質量および共振器パラメータにどのように依存するか？
• RQ4 ショットノイズがこのアキソン探索の主な制限要因となるか？また、SNRは観測時間 $ T_{\text{obs}} $ がアキソンコherency時間 $ \tau $ と比較して短いか長い場合にどのように変化するか？
• RQ5 主な技術的ノイズ源は何か？また、実際の検出器構成において、それらをショットノイズレベル以下に抑えることは可能か？

主な発見

• コズミック・エクスプローラに類似した検出器では、$ m \simeq 3 \times 10^{-13} $ eV において $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 8 \times 10^{-13}~\text{GeV}^{-1} $ の感度を達成し、既存の制限を超える。
• アドバンスド・リゴに類似した検出器では、$ m \simeq 2 \times 10^{-15} $ eV で $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 4 \times 10^{-14}~\text{GeV}^{-1} $ の感度に達する。
• 広いアキソン質量範囲にわたり高い感度を維持し、コズミック・エクスプローラに類似した検出器では $ m = 1.563 \times 10^{-10} $ eV で $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 10^{-14}~\text{GeV}^{-1} $ の鋭いピークを示す。
• 共通位相ノイズ（ミラーの変位や重力波に起因）が微小位相差測定において相殺されるため、本手法は重力波検出感度を完全に維持する。
• ミラーのロール運動が潜在的なノイズ源であるが、$ m > 10^{-14} $ eV の範囲では、aLIGOにおけるスペクトル密度が $ \sqrt{S_{\text{roll}}} < 3 \times 10^{-26}~\text{rad}/\sqrt{~\text{Hz}} $ とショットノイズレベル未満に見積もられる。
• 本手法は既存の検出器と互換性があり、メインインターフェロメータを改造せずに、信号リサイクリングミラーの背後にアキソン信号を抽出可能である。