[論文レビュー] Particle Probes with Superradiant Pulsars

David E. Kaplan, Surjeet Rajendran+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミリ秒パulsarにおける回転的スーパー放射能を用いて、超軽量ボソンを探索する手法を提案している。精密に測定されたパルサーの回転周波数を活用することで、10^{-11} eV未満の質量を有するスカラー粒子の制約が可能となる。特に、約700 Hzを超えるパルサーが存在しないことは、質量が約10^{-11} eVの新しい粒子によるスーパー放射能的損失の兆候である可能性があり、第五力の制約が最大で3桁改善され、プランクスケールの崩壊定数を有するQCDオクソンが特定の質量範囲で除外される。

ABSTRACT

We demonstrate that rotational superradiance can be efficient in millisecond pulsars. Measurements from the two fastest known pulsars PSR J1748-2446ad and PSR B1937+21 can place bounds on bosons with masses below 10^{-11} eV. The bounds are maximally good at masses corresponding to the rotation rate of the star, where scalar interactions that mediate forces ~ 10^6 times weaker than gravity are ruled out, exceeding existing fifth force constraints by 3 orders of magnitude. For certain neutron star equations of state, these measurements would also constrain the QCD axion with masses between 5 10^{-13} and 3 10^{-12} eV. Despite the ability of most neutron star equations of state to support frequencies as high as ~ 1500 Hz, the observed absence of pulsars above ~ 700 Hz could be due to the existence of a new particle of mass ~ 10^{-11} eV with a Yukawa coupling to nucleons.

研究の動機と目的

• ミリ秒パルサーが回転的スーパー放射能を通じて超軽量ボソンを感受可能な感度の高いプローブとして機能するかどうかを検討すること。
• 重力より弱い力（特に10^6分の1程度）を介して相互作用する弱く結合したスカラー粒子に対する既存の制約を改善すること。
• 観測されたパルサー回転周波数の上限（約700 Hz）が、新しい軽い粒子によるスーパー放射能的損失に起因する可能性があるかどうかを調査すること。
• 中性子星の状態方程式がスーパー放射不安定性を支持する能力と、QCDオクソンの制約に与える影響を評価すること。

提案手法

• 回転フレーム形式を用いて中性子星におけるスーパー放射能をモデル化し、核子とのユカワ結合を有するスカラー場方程式を適用する。
• 中性子星の赤道ぶつぶれと楕円率を考慮した状況下で、スカラー励起状態のスーパー放射成長率と吸収率を計算する。
• PSR J1748-2446ad（716 Hz）およびPSR B1937+21（642 Hz）の観測済み回転周波数を用いて、スカラー結合の上限を設定する。
• フォノン結合および破壊的伴星による影響を分析することで、モードの安定性を評価する。
• 理論的制約を既存のねじり平衡実験と比較し、QCDオクソンの質量-結合関係と照合する。
• 中性子星の状態方程式が有効結合およびスーパー放射臨界閾値に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ秒パルサーにおけるスーパー放射能は、現在の実験室実験よりも超軽量ボソンをより効果的に制約できるか？
• RQ2 既知のパルサー回転周波数を用いて、中性子に対するスカラー粒子の最大結合強度はどれほど排除できるか？
• RQ3 なぜ約700 Hzを超えるパルサーが存在しないのか？これは新しい粒子によるスーパー放射能的減衰の結果である可能性があるか？
• RQ4 中性子星の状態方程式が、この文脈におけるQCDオクソンの核子への有効結合にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 フォノン混合や伴星の破壊といった散乱機構は、スーパー放射モードの安定性にどのように影響するか？

主な発見

• ミリ秒パルサーにおけるスーパー放射能は、10^{-11} eV未満の質量を有するスカラー粒子を制約でき、既存の第五力の制約を最大で3桁改善する。
• 重力より10^6分の1弱い相互作用を有するスカラー相互作用については、パルサーの回転周波数に対応する質量における結合が除外される。
• 観測された700 Hzを超えるパルサーの欠如は、質量が約10^{-11} eV、周波数が約1500–3000 Hzの新しい粒子によるスーパー放射能的減衰によって説明できる可能性がある。
• 特定の中性子星状態方程式では、θeff ~ 1の場合、質量が5×10^{-13} eVから3×10^{-12} eVのQCDオクソンは除外される。
• PSR J1748-2446adおよびPSR B1937+21からの制約は、質量範囲2×10^{-12} eVから6×10^{-12} eVにおいて、ねじり平衡実験の限界を2〜4桁上回る。
• ブラックホールベースの手法とは異なり、中性星の既知の軸対称性および組成のおかげで、吸収モードとの混合に対するこの手法はモード混合の影響に強く、頑健である。