[論文レビュー] Modified Axion Electrodynamics through Oscillating Vacuum Polarization and Magnetization and Low Mass Detection using Electric Sensing

Michael E. Tobar, Ben T. McAllister+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Quantum and Classical Electrodynamics被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、アキソンに起因する効果（周期的電気分極および磁化）を、D、H、B、Eの場の構成関係に埋め込むことで、アキソン修正式電磁力学を再定式化する。これにより、それらを有効な励起源として扱う。直流磁場が印加されると、放射する電極子に類似したアキソン周波数で周期的分極が誘発され、直流電場が印加されると周期的磁化が誘発され、有効電流およびベクトルポテンシャル結合による電気的センシングによって低質量アキソンの検出が可能になる。

ABSTRACT

We present a reformulation of axion modified electrodynamics with all modifications redefined within the constitutive relations between the D,H,B and E fields. This allows the interpretation of the axion induced background bound charge, polarization current and background polarization and magnetization satisfying the charge-current continuity equation. This representation is of similar form to photon sector odd-parity Lorentz invariance violating background fields. We show that when a DC B-field is applied an oscillating background polarization is induced at a frequency equivalent to the axion mass. In contrast, when DC E-field is applied, an oscillating background magnetization is induced at a frequency equivalent to the axion mass. We show that these terms are equivalent to impressed source terms, analogous to the way that voltage and current sources are impressed into Maxwell's equations in circuit and antenna theory. The impressed source terms represent the conversion of external energy into electromagnetic energy, and in the case of axion modified electrodynamics this is due to the inverse Primakoff effect converting energy from axions into photons. The axion induced oscillating polarization under a DC magnetic field is analogous to a permanent polarised electret oscillating at the axion Compton frequency, which sources an electromotive force from an effective impressed magnetic current source. In particular, it is shown that the impressed electrical DC current that drives the solenoidal magnetic DC field of an electromagnet, induces an impressed magnetic current parallel to the DC electrical current, oscillating at the Compton frequency of the axion. We show that the magnetic current drives a voltage source through an electric vector potential and also defines the boundary condition of the oscillating axion induced polarization inside and outside the electromagnet.

研究の動機と目的

• D、H、B、Eの場の構成関係に、すべてのアキソンに起因する効果を埋め込むことで、アキソン修正式電磁力学を再定式化すること。
• アキソンに起因する背景電荷、分極、磁化を連続の式の解として解釈し、保存則と整合性を保つこと。
• 直流磁場または電場下で、アキソンのド・ブロイ波長に一致する周波数の振動が生じ、電磁応答を用いた検出が可能になることを示すこと。
• アキソンに起因する効果と回路理論およびアンテナ理論における励起源との間の形式的類似性を確立し、電気的センシングによる検出を可能にすること。
• 直流場配置下で、アキソン駆動の周期的分極および磁化に起因する誘導電圧を活用し、低質量アキソンの検出を可能にすること。

提案手法

• アキソンに起因する分極および磁化を有効な背景場として含めるように、構成関係を再定式化することで、アキソン修正式電磁力学を再定式化すること。
• ソレノイド内の直流電流が誘導するアキソンに起因する周期的分極を、放射する電極子に類似した有効な励起磁気電流源としてモデル化すること。
• 直流電場下でのアキソンに起因する周期的磁化を、磁気双極子放射源に類似した有効な励起電流源としてモデル化すること。
• 電気的ベクトルポテンシャルを用いて、誘導された磁気電流と検出系で測定可能な電圧信号との関係を確立すること。
• 特に電磁石内部および外部での界面におけるアキソンに起因する分極および磁化の境界条件を導出すること。
• 逆プリマコフ効果によるアキソンのエネルギーが電磁気エネルギーに変換される過程を、マクスウェル方程式における有効な励起源項として扱うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D、H、B、Eの構成関係に、すべてのアキソンに起因する効果を埋め込むことで、アキソン修正式電磁力学をどのように再定式化できるか。
• RQ2 直流磁場または電場にさらされた低質量アキソンの電磁的特徴は何か。
• RQ3 直流場下で、アキソンに起因する周期的分極および磁化はどのように振る舞い、それらの有効源項は何か。
• RQ4 逆プリマコフ効果を、マクスウェル方程式における有効な励起源としてモデル化できるか。これにより、電気的センシングによる検出が可能になるか。
• RQ5 直流場下で、物質界面におけるアキソンに起因する分極および磁化の境界条件は何か。

主な発見

• 直流磁場が印加されると、アキソンのド・ブロイ周波数で周期的背景分極が誘発され、放射する電極子に類似する。
• 直流電場が印加されると、アキソンのド・ブロイ周波数で周期的背景磁化が誘発され、磁気双極子放射源に類似する。
• ソレノイド内の直流電流が誘導する励起磁気電流は電流と平行に方向をもち、アキソンのド・ブロイ周波数で振動し、電圧の生成を可能にする。
• アキソンに起因する磁気電流が電気的ベクトルポテンシャルを介して測定可能な電圧を駆動し、アキソンの電気的センシングのための道筋を提供する。
• 電磁石内部および外部におけるアキソンに起因する分極の境界条件が定義され、信号応答の整合的モデリングが可能になる。
• 有効な励起源項は、逆プリマコフ効果によるアキソンから光子へのエネルギー変換を表しており、回路理論における電圧源および電流源に類似している。