[論文レビュー] Search for axionlike dark matter with nuclear spins in a single-component liquid

Teng Wu, John W. Blanchard+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、アキソンに類似したダークマターの探索を、アセトニトリル-2-13Cの単一成分液体における核磁気共鳴（NMR）を用いて、核スピンへの結合を通じて行う。13Cと1Hの二核種共磁気計測を用いることで、g_{aNN} < 6 \times 10^{-5} GeV^{-1} の新たな実験的限界を、10^{-22} eV から 1.3 \times 10^{-17} eV のアキソン質量範囲で95%信頼水準において設定し、10^{-21} eV未満の領域で既存の制約を改善した。

ABSTRACT

We report the results of a search for axionlike dark matter using nuclear magnetic resonance (NMR) techniques. This search is part of the multi-faceted Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr) program. In order to distinguish axionlike dark matter from magnetic fields, we employ a comagnetometry scheme measuring ultralow-field NMR signals involving two different nuclei ($^{13}$C and $^{1}$H) in a liquid-state sample of acetonitrile-2-$^{13}$C ($^{13}$CH$_{3}$CN). No axionlike dark matter signal was detected above background. This result constrains the parameter space describing the coupling of the gradient of the axionlike dark matter field to nucleons to be $g_{aNN}<6 imes 10^{-5}$ GeV$^{-1}$ (95$\%$ confidence level) for particle masses ranging from $10^{-22}$ eV to $1.3 imes10^{-17}$ eV, improving over previous laboratory limits for masses below $10^{-21}$ eV. The result also constrains the coupling of nuclear spins to the gradient of the square of the axionlike dark matter field, improving over astrophysical limits by orders of magnitude over the entire range of particle masses probed.

研究の動機と目的

• 液体状態のNMR系における核スピンの進動を用いて、アキソンに類似したダークマターを探索すること。
• 二核種共磁気計測を用いて、環境磁場とアキソンに類似したダークマター信号を区別すること。
• アキソンに類似した粒子と核子との結合に対する実験的制約を強化すること。
• 核スピンとアキソン場の二乗の勾配との結合を、天体物理学的限界を超えて探査すること。

提案手法

• アセトニトリル-2-13Cの単一成分液体試料を用いた超低磁場核磁気共鳴（NMR）を用いる。
• 13Cおよび1H核を用いた共磁気計測により、共通モードの磁場ノイズを低減する。
• 核スピンの進動周波数を測定し、アキソンに類似したダークマター場への結合を検出する。
• アキソン場の勾配と核子磁気モーメントへの結合を、スピン進動のずれを通じて分析する。
• 95%信頼水準における結合定数の上限を設定するために統計的解析を適用する。
• 長時間のコherencteを実現でき、微弱な相互作用に高い感度を持つ液体状態系を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体状態NMR実験における核スピンへの結合を通じて、アキソンに類似したダークマターを検出可能か？
• RQ2 二種類の異なる核を用いた共磁気計測は、磁場ノイズをどのように低減し、アキソンに類似したダークマター信号を分離可能か？
• RQ3 低質量アキソンに類似した粒子に対する、axion-nucleon結合定数g_{aNN}の改善された実験的限界は何か？
• RQ4 核スピンの進動は、アキソン場の二乗の勾配と核子との結合をどの程度まで制約できるか？
• RQ5 これらの実験的結果は、測定された質量範囲において、天体物理学的制約とどのように比較できるか？

主な発見

• 背景を超えるアキソンに類似したダークマター信号は検出されず、探索のノン結果と整合的であった。
• 本研究では、10^{-22} eV から 1.3 \times 10^{-17} eV のアキソン質量範囲において、95%信頼水準でg_{aNN} < 6 \times 10^{-5} GeV^{-1} の新たな実験的上限を設定した。
• 10^{-21} eV未満のアキソン質量領域において、既存の実験的制約を改善した。
• アキソン場の二乗の勾配と核子との結合は、測定された全質量範囲において、天体物理学的限界よりも高い感度で制約された。
• 共磁気計測技術により、磁場ノイズが効果的に低減され、微弱なアキソンに類似した相互作用の高感度検出が可能になった。
• 結果は、制御された実験環境下で低質量アキソンに類似したダークマターを探索する液体状態NMRの有効性を示している。