[論文レビュー] Comagnetometer probes of dark matter and new physics

W. A. Terrano, Michael Romalis|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 107被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ダークマターおよび標準模型を越えるスピン相互作用を含む新しい物理を探索するためのコンビナージョメトリーを、主な技術としてレビューしている。磁気的および非磁気的結合を示す異なる核スピンを比較することで、10⁻²⁶ eVにまで達する極めて高いエネルギー感度を達成し、電気双極子モーメント、ローレンツ対称性の破れ、アキソン的ダークマター、および長距離スピン依存力の探索を可能にする。

ABSTRACT

We discuss the use of comagnetometry in studying new physics that couples to fermionic spin. Modern comagnetometry is -- in absolute energy units -- the most sensitive experimental technique for measuring the energy difference between quantum states, reaching sensitivities in the $10^{-26}\,$eV range. The technique suppresses the magnetic interactions of the spins, making searches for non-standard-model interactions possible. Many implementations have been developed and optimized for various uses. New physics scenarios which can be probed with comagnetometers include: EDMs, violations of Lorentz invariance, Goldstone bosons of new high-energy symmetries, CP-violating long-range forces, and axionic dark matter. We consider the prospects for improvements in the technique, and show -- based purely on signal-to-noise ratio with existing technology -- that there is room for several orders of magnitude in further improvement. We also evaluate several sources of systematic error and instability that may limit improvements.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える物理を探索するためのコンビナージョメトリーの最新状態をレビューすること。
• アキソン的ダークマターおよび電気双極子モーメントを含む、主要な新しい物理のシナリオに対するコンビナージョメーター系の感度を特定および定量化すること。
• 既存の技術を用いて統計的感度を数個のオーダー改善する可能性を評価すること。
• 将来の改善を制限する可能性がある系の系統的誤差および環境的不安定性を評価すること。
• 最も野心的な物理的目標に到達するための将来の実験アップグレードの要件を提示すること。

提案手法

• 希ガス（例えば³Heおよび¹²⁹Xe）中の核スピン集合を高い偏極状態にすることにより、光学励起を用いる。
• SQUIDを用いた読み出しシステムを採用し、スピンの進動周波数を高精度で測定する。
• 2種類の核スピン種（例：³Heおよび¹²⁹Xe）の進動周波数を比較することで、共通モードの磁場ノイズをキャンセルする。
• 時間的に変化する場（例：EDM探索のための電場）を適用し、磁気的でない、標準模型を越える相互作用を分離する。
• スピン進動信号の周波数比または線形結合を用いて、磁場のフラクチュエーションを抑制し、新しい物理の信号を分離する。
• 磁場不安定性、地球の自転、漏れ電流に起因する系統的誤差をモデル化し、将来の実験における安定性要件を設定する。

Figure 1. The progress in comagnetometer energy sensitivity since Hughes and Drever. These results are for the energy of a spin due to its absolute orientation. The largest improvements came with the ability to create relatively pure ensemble quantum states via optical pumping, in the 1980s, and wit

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンビナージョメトリーの現在のエネルギー感度はどの程度であり、他の新しい物理探索技術と比べてどうか？
• RQ2 コンビナージョメトリーは、弱い標準模型を越えるスピン相互作用を分離するために、どのように磁場ノイズを抑制できるか？
• RQ3 アキソン的ダークマターおよび電気双極子モーメントの検出に向けた、コンビナージョメーター系の予想される感度はどの程度か？
• RQ4 将来の感度向上を脅かす主な環境的および機器的不安定性は何か？
• RQ5 グランドユニフィケーションスケールのアキソンおよび¹²⁹XeのEDMの標準模型予測を探索するためには、どのような実験的アップグレードが必要か？

主な発見

• 現代のコンビナージョメーターは10⁻²⁶ eVレベルのエネルギー感度に達しており、1960年代と比べて12桁の改善を達成している。
• 2019年のXe-EDM実験では、漏れ電流効果の統計的感度が1.77 μHz/μAに達し、漏れ電流を≤40 fAに制限した。
• 将来のコンビナージョメーター系は、10¹⁶ GeVの対称性破れスケールを持つアキソン的ダークマターを探索可能であり、グランドユニフィケーションスケールに近づく。
• ¹²⁹XeのEDMの標準模型予測（5×10⁻³⁵ e·cm）は、さらなる1桁の感度向上があれば、将来のコンビナージョメーター感度で到達可能となる。
• 磁場不安定性および地球の自転に起因する系統的誤差は、それぞれ1 fT未満および1 μrad未満の安定性を要し、感度を維持する上で不可欠である。
• 慎重な仮定のもと、100日間の積算後、コンビナージョメーターは10⁻³³ eVスケールのアキソン結合に感度を示す可能性がある。