[論文レビュー] First Search for Axion-Like Particles in a Storage Ring Using a Polarized Deuteron Beam

S. Karanth, E. J. Stephenson+61 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Forschungszentrum JülichのCOSYリングで、スピンダイナミクスとALP結合に起因する偏光ジャンプを用いて、最初の陽子様粒子（ALP）の探索を、偏光した重水素イオンビームを用いたストレージリングで実施する。この手法により、有効電子電気双極子モーメント（EDM）の感度限界が $ d_{\text{AC}} \sim 10^{-22} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ に達し、ALP結合に対する新たな制約を設定した。

ABSTRACT

Based on the notion that the local dark-matter field of axions or axion-like particles (ALPs) in our Galaxy induces oscillating couplings to the spins of nucleons and nuclei (via the electric dipole moment of the latter and/or the paramagnetic axion-wind effect), we establish the feasibility of a new method to search for ALPs in storage rings. Based on previous work that allows us to maintain the in-plane polarization of a stored deuteron beam for a few hundred seconds, we performed a first proof-of-principle experiment at the Cooler Synchrotron COSY to scan momenta near 970 MeV/c. This entailed a scan of the spin precession frequency. At resonance between the spin precession frequency of deuterons and the ALP-induced EDM oscillation frequency there will be an accumulation of the polarization component out of the ring plane. Since the axion frequency is unknown, the momentum of the beam and consequently the spin precession frequency were ramped to search for a vertical polarization change that would occur when the resonance is crossed. At COSY, four beam bunches with different polarization directions were used to make sure that no resonance was missed because of the unknown relative phase between the polarization precession and the axion/ALP field. A frequency window of 1.5-kHz width around the spin precession frequency of 121 kHz was scanned. We describe the experimental procedure and a test of the methodology with the help of a radiofrequency Wien filter located on the COSY ring. No ALP resonance was observed. As a consequence an upper limit of the oscillating EDM component of the deuteron as well as its axion coupling constants are provided.

研究の動機と目的

• ストレージリング環境下で、ALPが重水素のスピンに及ぼす結合を通じてALPを探索すること。
• 回転ビームにおけるALP誘発偏光ジャンプを検出するための補正手法を開発すること。
• ALP相互作用によって誘発される有効電子EDMに対する新たな実験的制約を設定すること。
• さまざまなスキャンレートを想定したスピンダイナミクスの数値シミュレーションを用いて、ストレージリング装置の感度を検証すること。
• COSYリングにおけるアキソン誘発スピン振動と測定可能な偏光ジャンプとの関係を補正すること。

提案手法

• 回転周波数の制御されたラーピングを用いて、COSYストレージリング内の偏光重水素イオンビームでスピンプリセッションを誘発する。
• 1ターンあたり15ステップの3×3密度行列の時間発展を数値的にシミュレートし、高精度（0.1%収束）でスピンダイナミクスをモデル化する。
• 2つの直交するアキソン位相入力（$\phi_a = 0$ および $\pi/2$）を用いて偏光ジャンプ応答を補正し、結果を2乗和の平方根で統合して最大ジャンプサイズを決定する。
• 関係式 $ d_{\text{AC}} = \frac{1}{2\pi} \frac{\hbar}{B\rho} \frac{w}{0.958} \left| \frac{\psi_{\text{AC}}}{\Delta p_y} \right|_{\text{calib.}} A $ を用いて有効電子EDMを導出する。ここで $ A $ は観測されたジャンプ振幅である。
• ラーピングレート（$ w $）およびリング幾何学的要因（0.958係数）の補正を適用し、補正結果を実験的条件にスケーリングする。
• アキソン・ウィンド効果との整合性を検証し、径方向スピン回転モデルと一貫性があることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストレージリング内での偏光重水素イオンのスピンに結合するALPは、検出可能か？
• RQ2 COSYストレージリング装置は、ALP誘発有効電子EDMに対してどの程度の感度を持つか？
• RQ3 偏光ジャンプは、アキソン誘発スピン振動振幅およびスキャンレートにどのように依存するか？
• RQ4 スピンダイナミクスの数値シミュレーションは、測定可能な偏光ジャンプをどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 この手法で検出可能な最大有効電子EDMは何か？ また、既存の制約と比較してどうか？

主な発見

• 高速スキャンでは $ 9.35 \times 10^{-7} $ rad/turn、低速スキャンでは $ 8.48 \times 10^{-7} $ rad/turn の感度を達成し、アキソン誘発スピン振動と測定可能な偏光ジャンプとの関係を補正した。
• 通常観測されるジャンプ振幅を想定した場合、有効電子EDMは $ 10^{-22} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ 未満であると推定された。
• 関心領域において、偏光ジャンプはアキソン誘発スピン振動振幅に対して概ね線形に比例するため、信頼性の高い補正が可能である。
• 補正係数 $ w $ および 0.958 を用いて、リング幾何学的要因とスキャンレートの影響を補正し、感度推定の正確性が向上した。
• 1ターンあたり15ステップの数値シミュレーションは0.1%の精度で収束し、ジャンプ予測モデルの信頼性が裏付けられた。
• 異なるスキャンレートおよび位相設定においても補正結果が一貫しており、手法の頑健性が確認された。