[論文レビュー] Manifestations of dark matter and variations of fundamental constants in atoms and astrophysical phenomena

Y. V. Stadnik, V. V. Flambaum|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 181被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、光子やスカラー場を含む軽量ボソン的ダークマターが、高精度な原子および天体的測定によって検出可能な、線形で時間変化する基本定数のずれを引き起こす可能性を提案している。線形な光子および核子への結合が、新たな実験的・天体的プローブを可能にし、ジスプロシウムの原子分光法によってスカラー暗黒物質の相互作用に対する制約が10⁻²⁰ eV⁻⁴のオーダーで得られ、従来の制約を桁違いに上回っている。

ABSTRACT

We present an overview of recent developments in the detection of light bosonic dark matter, including axion, pseudoscalar axion-like and scalar dark matter, which form either a coherently oscillating classical field or topological defects (solitons). We emphasise new high-precision laboratory and astrophysical measurements, in which the sought effects are linear in the underlying interaction strength between dark matter and ordinary matter, in contrast to traditional detection schemes for dark matter, where the effects are quadratic or higher order in the underlying interaction parameters and are extremely small. New terrestrial experiments include measurements with atomic clocks, spectroscopy, atomic and solid-state magnetometry, torsion pendula, ultracold neutrons, and laser interferometry. New astrophysical observations include pulsar timing, cosmic radiation lensing, Big Bang nucleosynthesis and cosmic microwave background measurements. We also discuss various recently proposed mechanisms for the induction of slow `drifts', oscillating variations and transient-in-time variations of the fundamental constants of Nature by dark matter, which offer a more natural means of producing a cosmological evolution of the fundamental constants compared with traditional dark energy-type theories, which invoke a (nearly) massless underlying field. Thus, measurements of variation of the fundamental constants gives us a new tool in dark matter searches.

研究の動機と目的

• 軽量ボソン的ダークマターが基本定数に線形で時間依存する変化を引き起こすメカニズムを調査すること。
• これらの変化に感受性を示す高精度な実験的および天体的実験を同定すること。
• 従来の二次的相互作用と比較して、線形結合がより好都合な検出チャネルを提供することを示すこと。
• 原子系および固体系が直接ダークマター検出の強力なツールであることを確立すること。
• 原子ジスプロシウム分光法および宇宙論的データを用いて、スカラー暗黒物質の結合に対する新たな制約を提示すること。

提案手法

• スカラー暗黒物質を、標準模型場と線形に結合するコherentな振動場またはトポロジカル欠陥（ソリトン）としてモデル化すること。
• 有効場理論を用いて、スカラー暗黒物質と光子、クォーク、ゲージボソンの間の線形結合を導出すること。
• ビッグバン核合成（BBN）、宇宙マイクロ波背景（CMB）、星のエネルギー損失の測定結果を用いて、相互作用パラメータの制約を求める。
• ジスプロシウムの原子分光法データを分析し、スカラー暗黒物質と光子の間の線形および二次的結合の制約を求める。
• パulsarタイミングアレイおよびレーザー干渉計を用いて、通過する暗黒物質欠陥に起因する一時的変動を検出すること。
• 原子時計、磁力計、ねじれ秤、超低温中性子の感度を、線形暗黒物質相互作用に対して評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー暗黒物質と光子の間の線形結合が、原子分光法で検出可能な基本定数の測定可能な変動を引き起こすか？
• RQ2 BBNおよびCMB測定結果から、スカラー暗黒物質と光子の間の相互作用パラメータのパラメータ空間がどのように制限されるか？
• RQ3 トポロジカルな暗黒物質欠陥が地球を通過する際に、原子定数やパルサータイミングに観測可能な変動を引き起こすか？
• RQ4 線形結合が、従来の二次的散乱モデルを上回る感度向上にどのように寄与するか？
• RQ5 原子時計およびジスプロシウムにおける分光法実験が、スカラー暗黒物質の結合に対してどのように新たな境界を設定するか？

主な発見

• ジスプロシウムにおける原子分光法は、超軽量スカラー暗黒物質と光子の間の線形結合に対する最初の実験的制約を提供し、(1.0 ± 2.5) × 10⁻²⁰ eV⁻⁴の境界を得た。
• BBNおよびCMB測定からの制約は、パラメータ空間をさらに制限し、初期宇宙におけるスカラー場の二次的結合に対しては(0.5 ± 1.3) × 10⁻²⁰ eV⁻⁴の境界が得られた。
• スカラー暗黒物質と光子の間の線形相互作用は(0.4 ± 1.0) × 10⁻¹¹ eV⁻²で制約され、従来の限界を著しく上回っている。
• 理論的モデルは、トポロジカル欠陥（ソリトン）が、パルサータイミングアレイを用いて検出可能な一時的で時間変化する基本定数のずれを引き起こす可能性を示している。
• 原子時計、磁力計、ねじれ秤、干渉計を用いた実験は、ダークマター相互作用に対する感度を多数の桁数向上させると予想される。
• 本稿は、線形結合が従来の二次的散乱と比較してより好都合な検出経路を提供することを確立し、超軽量ダークマターの直接検出戦略を活性化した。