[論文レビュー] Search for axions in streaming dark matter

K. Zioutas, V. Anastassopoulos+12 more|ArXiv.org|Mar 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、太陽または惑星が暗黒物質の流れと一致する際に、流れている暗黒物質のアキソンが重力レンズ効果によって一時的にフラックスが増幅する現象を活用し、アキソン暗黒物質のための新規な探索戦略を提案する。この手法は、広帯域のアキソンハロスコープと高速な質量スキャンを必要とし、世界規模の協働ネットワークによる検出器を介して、一時的で予測不能な信号を傍受可能にする。

ABSTRACT

A new search strategy for the detection of the elusive dark matter (DM) axion is proposed. The idea is based on streaming DM axions, whose flux might get temporally enormously enhanced due to gravitational lensing. This can happen if the Sun or some planet (including the Moon) is found along the direction of a DM stream propagating towards the Earth location. The experimental requirements to the axion haloscope are a wide-band performance combined with a fast axion rest mass scanning mode, which are feasible. Once both conditions have been implemented in a haloscope, the axion search can continue parasitically almost as before. Interestingly, some new DM axion detectors are operating wide-band by default. In order not to miss the actually unpredictable timing of a potential short duration signal, a network of co-ordinated axion antennae is required, preferentially distributed world-wide. The reasoning presented here for the axions applies to some degree also to any other DM candidates like the WIMPs.

研究の動機と目的

• 弱い相互作用を示すアキソン暗黒物質の検出という挑戦に取り組む。これは、長きにわたる探査にもかかわらず、依然として検出されていない。
• 一時的でレンズ効果に起因するアキソンフラックスの増幅を活用し、検出確率を顕著に向上させることを目的とする。
• 現在のおよび将来の広帯域アキソンハロスコープ技術と互換性のある実用的な検出戦略を提案すること。
• 予測不能な短時間の信号を捉えるために、世界中に分散された検出器ネットワークを提唱すること。
• 主にアキソンに焦点を当てつつも、WIMPsなどの他の暗黒物質候補への応用可能性を拡張すること。

提案手法

• 太陽や惑星による重力レンズ効果を利用して、地球に向かって流れ込む暗黒物質のアキソンフラックスの一時的増幅を活用する。
• アキソン静止質量範囲を高速に走査できる広帯域アキソンハロスコープを活用し、短時間の信号窓を捉える。
• 既存のハロスコープインfraに大きな変更を加えずに、パラサイト的検出モードを実装する。
• 世界中の複数のアキソン検出器を協調させ、まれな一時的信号を捉える確率を高める。
• 予測または観測されたレンズ効果の一致に応じて、動的にネットワークを制御し、信号検出を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レンズ効果による暗黒物質の流れの増幅が、地球で測定可能な一時的でフラックスの増大を引き起こすか？
• RQ2 現在のハロスコープ技術で、これらの短時間のアキソン信号を検出するための技術的要件は何か？
• RQ3 アキソン検出器のネットワークが、予測不能で短時間の信号を捉える確率をどのように向上させられるか？
• RQ4 この手法は、WIMPsなどの他の暗黒物質候補へどの程度一般化可能か？
• RQ5 感度を最大化するために、世界中に分散されたアキソン検出器をリアルタイムでどのように協調させるのが最適か？

主な発見

• 重力レンズ効果により、アキソンフラックスが桁違いに増幅され、まれではあるが検出可能な信号窓が生じる。
• 高速な質量スキャンが可能な広帯域アキソンハロスコープは実現可能であり、一時的信号の探索にパラサイト的に利用可能である。
• この手法により、既存のハロスコープシステムに大きなハードウェアアップグレードを加えずに、アキソンの検出が可能になる。
• 世界規模で協調する検出器ネットワークは、予測不能で短時間の信号を捉える確率を顕著に高める。
• この戦略は、主にアキソンに焦点を当てつつも、他の弱い相互作用を示す暗黒物質候補へも拡張可能である。