[論文レビュー] Searching for dark matter with optical atomic clocks

Piotr Wcisło, Daniel Lisak+5 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、長距離の位相整合リンクを必要とせず、局所基準に対する共通モード周波数変動を測定することで、一時的であるがゆえに短時間で検出可能なダークマター–標準模型（DM-SM）結合を探索する、光学原子時計を用いた新規手法を提示する。この手法により、1日間の測定でも、これまでにない高い実験的制約が得られ、センサー間距離に依存しないため、遠隔および隣接する時計への応用が可能である。

ABSTRACT

One of the most fundamental questions of modern physics is the existence of yet unknown forms of matter and interactions. The total mass density of the Universe appears to be dominated by some hypothetical dark matter (DM). However, beyond its gravitational interaction at galactic scale, little is known about the DM nature and properties. One possibility is that it has a form of stable topological defects built from light scalar fields which, for nonzero DM-SM coupling, would result in transient variations of fundamental constants. Optical atomic clocks, highly sensitive to variations of the fine-structure constant, seem to be natural candidates for such searches. Here we demonstrate the first experimental constraint on the strength of transient DM-SM coupling determined with optical atomic clocks. Instead of measuring the phase difference between two distant clocks we determine a common component of their readouts. We show that our constraint, even for one-day measurement, greatly exceeds previous laboratory and astrophysical limits and already reaches the ultimate level expected to be achievable with a constellation of GPS atomic clocks. In contrast to the previous proposal the sensitivity of our approach does not depend on the separation between the sensors, hence it may be applied for both distant and non-separated clocks. We demonstrate that searching for transient DM-SM couplings does not require the recording of the absolute frequency variations of the optical clock transition but only its variation with respect to a local frequency reference, like an optical cavity. It considerably simplifies the experiments with distant clocks, since it removes the need of Earth-size-long phase-noise compensated optical fiber links. The proof of principle reported in this Letter gives a simple and practical recipe for interpreting the readouts of existing optical atomic clocks.

研究の動機と目的

• 既存の光学原子時計を用いて、一時的ダークマター–標準模型結合を検出する実用的な手法を開発すること。
• 従来の手法が要請する長基線光ファイバー路の位相ノイズ問題を克服すること。
• 遠隔地の絶対周波数安定性を要件とせず、ダークマター信号の感受性を高めること。
• 局所基準に対する共通モード周波数変動が、一時的DM-SM結合の検出に十分であることを示すこと。
• 最小限の実験的負荷で、これまでの実験的および天体的限界を上回るDM-SM結合強度の制約を確立すること。

提案手法

• 2つ以上の光学原子時計の読み出しにおける共通成分を活用し、遠隔時計間の位相差を測定するのではなく、その手法を採用する。
• 絶対周波数ドリフトを追跡する代わりに、光共振器などの局所周波数基準と比較して、光学時計遷移の周波数変動を分析する。
• 局所基準に対する相対的変動に注目することで、遠隔時計間の長大で位相ノイズ補償が必要な光ファイバー路の必要性を排除する。
• もしダークマターが光スカラー場を通じて標準模型と結合するならば、構造定数の一時的変動が生じるため、その変動を検出する分析に基づく。
• 既存の光学時計インfraに適合可能であり、標準的な時計読み出しデータの再処理のみを要する。
• 感度は、一時的DM相互作用を確率的信号モデルとして仮定し、時間経過に伴う時計信号の共通モードフラクチュエーションの統計的解析から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離の位相整合リンクを要件とせず、光学原子時計が一時的ダークマター–標準模型結合を検出可能か？
• RQ2 絶対周波数安定性ではなく、局所基準に対する相対周波数変動を測定することで、DM-SM結合に高い感受性を達成可能か？
• RQ3 1日間の測定で、この手法を用いて得られる一時的DM-SM結合強度の制約はどの程度か？
• RQ4 測定時間および時計数に伴う感度のスケーリングはどのように変化するか？また、これまでの実験的および天体的限界を上回るか？
• RQ5 この手法は、隣接する時計および広範囲に離れた時計の両方に対して、感度の損失なしに適用可能か？

主な発見

• 本手法は、1日間の測定でも、これまでの実験的および天体的限界を上回る一時的ダークマター–標準模型結合強度の制約を達成した。
• この手法の感度は、時計間の距離に依存せず、隣接および広範囲に離れた光学時計の両方への応用が可能である。
• 本手法は、光学時計遷移の絶対周波数変動の記録を必要とせず、局所基準に対する相対的変動のみを測定すればよい。
• 地球規模で位相ノイズ補償が必要な光ファイバー路を排除することで、遠隔時計の実験を簡素化する。
• プロトタイプ実験により、既存の光学原子時計がデータ解析の最小限の変更で、ダークマター探索に直接再利用可能であることが示された。
• 達成された制約は、GPS原子時計のコンステレーションが示す理論的限界に近づいており、将来的なスケーラビリティの高いポテンシャルを示している。