[論文レビュー] Light by Light Scattering as a New Probe for Axions

Soroush Shakeri, David J. E. Marsh+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高強度レーザー光ビームを用いた光-光散乱を介してアキソンを検出するための新しい量子力学的手法を提案する。仮想アキソンがプローブレーザー光ビームにおける共鳴的な偏光度信号を誘発する。この手法は、質量範囲 $10^{-2}\textrm{eV} \lesssim m_a \lesssim 1\textrm{eV}$ のQCDアキソンに対して感度を発揮し、アキソン-光子結合定数 $g_{a\gamma\gamma} \gtrsim 1.58 \times 10^{-12}\ \text{GeV}^{-1}$ の条件下で、標準模型QEDの背景を $3\sigma$ で上回る。

ABSTRACT

We study the impact of virtual axions on the polarization of photons inside a cavity during the interaction of high-power laser pulses. A novel detection scheme for measuring the axion-induced ellipticity signal during the Light-by-Light (LBL) scattering process is investigated. We show that a momentum exchange between photons in a probe laser beam and a high-intensity target beam may lead to a resonance at the physical mass of the axion. Consequently, the resonant enhancement of vacuum birefringence gives rise to a large ellipticity signal. This signal enhancement can be applied in order to discriminate between the axion contribution to LBL scattering and the standard model contribution due to electron-positron pairs. The sensitivity of the scheme is studied for experimentally feasible probe light sources and ultrahigh intensity laser backgrounds. It is shown that this technique has the potential to probe the QCD axion in the mass range $10^{-2} extrm{eV} \lesssim m_{a} \lesssim 1 extrm{eV}$. In this region the axion induced signal surpasses the standard model background.

研究の動機と目的

• 高出力レーザー環境下における光-光散乱を用いた、アキソンに対する新しい実験的プローブの開発。
• 仮想電子-陽電子対による不可避な量子電磁力学（QED）背景と、アキソン由来の偏光信号を区別すること。
• 仮想アキソン交換による共鳴的真空中二色性を活用することで、アキソンパラメータに対する感度を向上させること。
• 既存の高強度レーザー技術を用いて、QCDアキソンのパラメータ空間を探索可能であることを示すこと。

提案手法

• 光の偏光の Stokes パラメータの時間発展を記述するための量子ボルツマン方程式フレームワークを用いる。
• 線形偏光のプローブレーザーと超高強度のターゲットレーザー光ビームの相互作用をモデル化し、仮想アキソン交換を可能にする。
• アキソン媒介の光-光散乱に起因する誘導された偏光度信号を計算し、アキソン質量殻付近での共鳴的増幅を含む。
• 仮想電子-陽電子対に起因するQED背景信号と比較することで、検出可能性を評価する。
• 既存の高出力レーザー施設の実験的パラメータを適用し、感度限界を推定する。
• 信号対雑音比（SNR = 3）を用いて、最小検出可能なアキソン-光子結合定数 $g_{a\gamma\gamma}$ を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光-光散乱における標準模型QED背景と区別できるか、プローブレーザー光ビームにおけるアキソン由来の偏光度信号は存在するか？
• RQ2 仮想アキソン交換による共鳴的真空中二色性は、偏光信号を顕著に増幅するか？
• RQ3 実際のレーザーパラメータを用いた場合、この手法のアキソン質量および結合定数に対する感度はどの程度か？
• RQ4 この手法は、$10^{-2}\ \text{eV} \lesssim m_a \lesssim 1\ \text{eV}$ の質量範囲におけるQCDアキソンを探索可能か？

主な発見

• 共鳴から離れた領域では、アキソン由来の偏光度信号は $g_{a\gamma\gamma}^2$ の依存性を示すが、共鳴近傍では $g_{a\gamma\gamma}^2 / \varepsilon$ に比例して増幅する。ここで $\varepsilon$ はレーザー帯域幅を表す。
• プローブレーザー光のエネルギー $\bar{k}_0 \sim 10^{-5}\ \text{eV}$ から $1\ \text{eV}$、相互作用長 $\ell \sim 507\ \mu\text{m}$、ターゲット強度 $\bar{I} \sim 10^{25}\ \text{W/cm}^2$ の条件下で、QED背景の偏光度は $\epsilon_{\text{QED}} \sim 2.67 \times 10^{-8}$ から $10^{-3}\ \text{rad}$ の範囲に達する。
• この手法は、質量範囲 $10^{-2}\ \text{eV} \lesssim m_a \lesssim 1\ \text{eV}$ において、$3\sigma$ の感度を $g_{a\gamma\gamma} \gtrsim 1.58 \times 10^{-12}\ \text{GeV}^{-1}$ で達成する。
• 図3の濃い青色領域では、アキソン信号がQED背景を上回り、雑音を超えた観測可能性が示唆される。
• この手法は、ハロスコープや光を壁に通す実験など、既存のアキソン検出技術とは一線を画す独自で補完的なプローブを提供する。
• Stokes パラメータの量子力学的取り扱いにより、半古典的モデルには存在しない共鳴特徴が明らかになった。