[論文レビュー] Dark Matter Search with a Resonantly-Coupled Hybrid Spin System

Kai Wei, Zitong Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、アルカリ系-貴ガスセンサにおける強く結合したハイブリッドスピン共鳴（HSR） regimeを用いて、0.01–1000 Hzの広帯域アクシオン様ダークマター探索を実施し、アクシオン-核子結合の競合的な実験室限界を設定する。

ABSTRACT

Recent advances in tabletop quantum sensor technology have enabled searches for nongravitational interactions of dark matter (DM). Traditional axion DM experiments rely on sharp resonance, resulting in extensive scanning time to cover a wide mass range. In this work, we present a broadband approach in an alkali-${}^{21}$Ne spin system. We identify two distinct hybrid spin-coupled regimes: a self-compensation (SC) regime at low frequencies and a hybrid spin resonance (HSR) regime at higher frequencies. By utilizing these two distinct regimes, we significantly enhance the bandwidth of ${}^{21}$Ne nuclear spin compared to conventional nuclear magnetic resonance, while maintaining competitive sensitivity. We present a comprehensive broadband search for axion-like dark matter, covering 5 orders of magnitude of Compton frequencies range within $[10^{-2}, \, 10^3]$ Hz. We set new constraints on the axion dark matter interactions with neutrons and protons, accounting for the effects of DM stochasticity. For the axion-neutron coupling, our results reach a low value of $|g_{ann}|\le 3 imes 10^{-10}$ in the frequency range $[2 imes 10^{-2}, \, 4]$ Hz surpassing astrophysical limits and providing the strongest laboratory constraints in the $[10, \, 100]$ Hz range. For the axion-proton coupling, we offer the best terrestrial constraints for the frequency ranges $[2 imes 10^{-2}, \, 5]$Hz and $[16, \, 7 imes 10^{2}]$ Hz.

研究の動機と目的

• 超微小ダークマターとしてのアクシオン/ALPモデルと核子への非重力結合を動機づける。
• アルカリ系と貴ガススピン間の強く結合したハイブリッドスピン共鳴を設計・開発し、広帯域検出法を確立する。
• アクシオンダークマターからの準磁場信号に対する感度を損なうことなく帯域幅を拡張する。
• 対象周波数範囲で、アクシオン-核子結合に対する実験室制約を、特定の天体物理的制限と競合するまたはそれを上回るものにする。

提案手法

• 21Ne-Rb-K蒸気セル磁力計において、強く結合したハイブリッドスピン共鳴（HSR）領域を同定・運用する。
• Fermi接触相互作用を用いてアルカリ電子スピンと貴ガス核スピンをハイブリダイズさせ、貴ガススピンの帯域幅を約3桁拡大する。
• 自己補償（SC）モードを用いて低周波信号（0.01–10 Hz）へのアクセスと磁気ノイズ影響の低減を実現する。
• アクシオン誘起準磁場に対する応答を、貴ガススピン結合を外部磁場校正へ関連づけることによって較正する。
• ノン一様FFTと周波数領域の尤度アプローチを用いて、確率的DM場の揺らぎとlook-elsewhere効果を考慮してデータを解析する。
• 0.01–1000 Hzの周波数範囲でaxion-neutron結合 g_ann および axion-proton結合 g_app の95%信頼区間上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強く結合したハイブリッドスピン系は、超軽量のaxion様DM信号の検出可能帯域を実質的に広げ得るか。
• RQ2 0.01–1000 HzのCompton周波数範囲におけるaxion-nucleon結合の実験室制約はどうなるか。
• RQ3 低周波DM信号に対するSC動作とHSRの感度を比較するとどうなるか。
• RQ4 測定データに堅牢なDM候補は現れたか、システム誤差と比較して潜在的候補はどのように検証されるか。

主な発見

• HSRおよびSC領域を用いた0.01–1000 Hzの広帯域探索を実証。
• HSRにおいて28–32 Hzの磁場感度を0.78 fT/√Hzで達成。
• 0.02–4 Hz（およびそれより広い範囲）でg_annを約3×10^-9 GeV^-1までの95%信頼区間上限を確立し、いくつかの帯域で天体物理的制限に接近。
• 100 Hz未満の周波数でのg_appに対する地上での最強の制約を提供。
• データセットは総計209 h（Dataset 1）およびSC領域で132 h（Dataset 3）、ノイズ抑制のため地下4 hのデータセット（Dataset 2）を含む。
• Dataset 1で62個のDM候補ピークを発見したがDataset 2またはSCデータでは確認されず、DM信号として除外される結果となった。
• NASDUCK-FloquetおよびNASDUCK-SERFの結果と比較して実験室の制限が有利であり、補完的な limits の天体物理的不確実性を論じた。
• HSR/SC磁気計測系は感度を改善し、異常なスピン依存力のより広い探索へ向けた道を開くと結論づけた。