[論文レビュー] Constraining Fundamental Constant Variations from Ultralight Dark Matter with Pulsar Timing Arrays

David E. Kaplan, Andrea Mitridate+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 94被引用数 38

ひとこと要約

本稿では、超軽い暗黒物質（ULDM）が引き起こす基本定数の変動を、パulsar時刻配列（PTA）が制約できることを提案している。2つの新規信号を用いる：時間的に変化する中性子星の慣性モーメントに起因するパルサー回転速度の揺らぎ、およびULDMが粒子質量に与える影響による基準時計のずれ。模擬PTAデータを用いて、電子、ミューオン、グルーオンへのULDM結合に対しては、PTAが原子時計やねじり秤実験を上回ることを示している。クォークや光子への結合に対しては、原子時計と同等の感度を示す。

ABSTRACT

Pulsar Timing Arrays (PTAs) are exceptionally sensitive detectors in the frequency band $ ext{nHz} \lesssim f \lesssim \mu ext{Hz}$. Ultralight dark matter (ULDM), with mass in the range $10^{-23}\, ext{eV} \lesssim m_\phi \lesssim 10^{-20}\, ext{eV}$, is one class of DM models known to generate signals in this frequency window. While purely gravitational signatures of ULDM have been studied previously, in this work we consider two signals in PTAs which arise in presence of direct couplings between ULDM and ordinary matter. These couplings induce variations in fundamental constants, i.e., particle masses and couplings. These variations can alter the moment of inertia of pulsars, inducing pulsar spin fluctuations via conservation of angular momentum, or induce apparent timing residuals due to reference clock shifts. By using mock data mimicking current PTA datasets, we show that PTA experiments outperform torsion balance and atomic clock constraints for ULDM coupled to electrons, muons, or gluons. In the case of coupling to quarks or photons, we find that PTAs and atomic clocks set similar constraints. Additionally, we discuss how future PTAs can further improve these constraints, and detail the unique properties of these signals relative to the previously studied effects of ULDM on PTAs.

研究の動機と目的

• . 超軽い暗黒物質（ULDM）に起因する時間変動する基本定数に起因する新たなPTA信号を調査すること。
• . 現在および将来のPTA実験が、粒子質量および結合定数のULDM誘発変動に対してどの程度感度を持つのかを評価すること。
• . PTAによる制約を、既存の原子時計およびねじり秤実験の結果と比較すること。
• . 今後のPTAデータセットによる現在の限界に対する感度の向上を定量すること。
• . これまでに研究されたPTA内でのULDM効果（例：計量のゆらぎや第五力）と比較して、これらの信号がどのように独自で検出可能であるかを確立すること。

提案手法

• . ULDMを周波数 f ≈ mφ/2π で振動する古典的スカラー場としてモデル化し、mφ ∈ [10−23, 10−20] eV とする。
• . 無次元係数 d でパrameterizedされた有効オペレーターを通じて、ULDMと標準模型（SM）領域との直接結合を導入し、時間変動する基本定数を生じさせる。
• . 2つのPTA観測可能な信号を導出する：(1) 慣性モーメントの変化に伴う角運動量保存に起因するパルサー回転速度の揺らぎ、および (2) 粒子質量の変化に起因する基準時計のずれに起因する時刻残差。
• . IPTA Data Release 2 を模倣した模擬データと、将来のPTAデータセットを用いて、現実的な時刻残差をシミュレートする。
• . ベイズ推論をPTMCMCSamplerおよびENTERPRISEソフトウェアを用いて実施し、結合係数 d の上界を設定する。
• . その結果得られた制約を、原子時計およびねじり秤実験からの既存の制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . パルサー時刻配列は、パルサー回転速度の揺らぎを通じて、ULDM誘発の基本定数の変動を検出可能か？
• RQ2 . ULDMが粒子質量に与える影響による基準時計のずれは、PTAにおける測定可能な時刻残差を生じるか？
• RQ3 . PTAによるULDM結合に対する制約は、原子時計およびねじり秤実験の結果と比較してどのようになるか？
• RQ4 . 今後のPTAデータセットの感度は、電子、ミューオン、クォーク、光子、グルーオンへのULDM結合に対してどの程度か？
• RQ5 . これらの新信号は、重力波背景や計量のゆらぎに起因するこれまでに研究されたPTA内でのULDM効果とはどのように異なるか？

主な発見

• . ULDMが電子、ミューオン、グルーオンに結合する場合、PTAによる制約は、現在の原子時計およびねじり秤実験の限界と同等またはそれ以上である。
• . クォークや光子への結合に対しては、PTAによる制約は原子時計の結果と同等であり、同程度の感度であることを示している。
• . パルサー回転速度の揺らぎ信号は、ULDMが質量変化を引き起こし、パルサーの慣性モーメントを変化させる際の角運動量保存に起因する。
• . 基準時計のずれ信号は、原子時計を支配する基本定数の時間依存的変化に起因する、見かけの時刻残差として現れる。
• . 今後のPTAデータセットは、特に軽いフェルミオンおよびゲージボソンへの結合に対して、制約を著しく改善することが期待される。
• . これらの信号は、重力波背景や計量のゆらぎに起因するこれまでに研究されたULDM効果とは異なり、物質へのULDM結合を新たに探査する手段を提供する。