[論文レビュー] Searching for GUT-scale QCD Axions and Monopoles with a High Voltage Capacitor

Michael E. Tobar, Andreas Ringwald+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 52被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、GUTスケールのQCDアキソンおよび磁気モノポールを、gaEMおよびgaMMパラメータを介した電磁気への結合を通じて検出する、新しい高電圧コンデンサ実験を提案する。これは、gaγγにのみ感度を持つ従来のアキソン探索とは補完的である。この手法は、コンデンサの静的電界を用いて、アキソンに起因する分極および磁化に起因する検出可能な振動場を生成し、同時にアキソンのダークマターおよびモノポール効果を探索可能にする。

ABSTRACT

The QCD axion has been postulated to exist because it solves the strong-CP problem. Furthermore, if it exists axions should be created in the early Universe and could account for all the observed dark matter. In particular, axion masses of order 10$^{-10}$ eV to 10$^{-7}$ eV correspond to axions in the vicinity of the grand unified theory scale (GUT-scale). In this mass range many experiments have been proposed to search for the axion through the standard QED coupling parameter $g_{aγγ}$. Recently axion electrodynamics has been expanded to include two more coupling parameters, gaEM and gaMM, which could arise if heavy magnetic monopoles exist. In this work we show that both $g_{aMM}$ and $_{gaEM}$ may be searched for using a high-voltage capacitor. Since the experiment is not sensitive to $g_{aγγ}$, it gives a new way to search for effects of heavy monopoles if the GUT-scale axion is shown to exist, or to simultaneously search for both the axion and the monopole at the same time.

研究の動機と目的

• 標準的なgaγγ結合にとどまらない、GUTスケールのQCDアキソンおよび磁気モノポールを探索する新しい実験的手法の開発を目的とする。
• 重い磁気モノポールに起因するgaEMおよびgaMM結合に感度を示さない現在のアキソン実験のギャップを埋める。
• 高電圧コンデンサが静的電界を生成することで、gaEMによるアキソン誘起分極およびgaMMによる磁化に感度を高められることを示す。
• アキソンのダークマターおよびモノポール効果の両方を同時に検出可能な二重目的の探索プラットフォームを提供する。
• 実用的な実験的枠組みにおいて、新しい結合パラメータgaEMおよびgaMMを組み込んだアキソン電磁力学を拡張すること。

提案手法

• 高電圧コンデンサを用いて、アキソン誘起場の検出のための背景として強い静的電界（E₀）を生成する。
• gaEMおよびgaMM結合を含む、変更されたマクスウェル方程式をモデル化し、電界効果を分離するために⃗B₀ = 0および⃗Je₀ = 0を仮定する。
• アキソン相互作用から、有効分極⃗P₁ = gaEM a ϵ₀ ⃗E₀および磁化⃗M₁ = −gaMM a c ϵ₀ ⃗E₀を導出する。
• アキソン場a(t,⃗r) ≈ √(2ρDM / ma) cos(ma t)（アキソン質量周波数で振動）に起因する、誘導される振動電界および磁界（⃗E₁, ⃗B₁）を分析する。
• ρDM ≈ 0.45 GeV/cm³を用いて、a(t,⃗r) ≈ √(2ρDM / ma) cos(ma t)というアキソン場モデルを適用し、場の振幅を推定する。
• 感度の高い電界計またはSQUIDベースの読み取り装置を用いて、これらの振動場を検出する実験設計を行う。gaγγに感度を示さないよう設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電圧コンデンサを用いて、標準的アキソンハロスコープでは検出できないgaEMおよびgaMM結合を検出可能か？
• RQ2 GUTスケール質量範囲（10−10–10−7 eV）におけるアキソンダークマターに対して、コンデンサベースの装置はどの程度の感度を示すか？
• RQ3 アキソン誘起分極および磁化場は、印加電界および結合パラメータにどのように依存するか？
• RQ4 この装置は、gaMMおよびgaEMを介して、同時にアキソンダークマターおよび重い磁気モノポールの存在を探索可能か？
• RQ5 コンデンサ構成におけるアキソン誘起場の検出は、理論的および実験的に実現可能か？

主な発見

• コンデンサ装置は、静的電界E₀を生成することで、標準的アキソン実験では存在しないgaEMおよびgaMM結合に感度を示す。
• アキソン誘起分極⃗P₁ = gaEM a ϵ₀ ⃗E₀および磁化⃗M₁ = −gaMM a c ϵ₀ ⃗E₀は、電界強度に比例し、検出可能性が向上する。
• この手法は、標準的なgaγγ結合に感度を示さないため、アキソンおよびモノポール探索における独自で補完的なチャネルを提供する。
• 理論的モデル化により、ma ≈ 10−10から10−7 eVのアキソン場は、周波数ωa ≈ maで検出可能な振動場をコンデンサに誘導することが示された。
• この装置は、同時にアキソンダークマターおよびモノポール効果を探索可能であり、GUTスケールの物理学を検証する新たな道筋を提供する。
• この手法はスケーラブルであり、SQUIDや電界計などの既存の低ノイズ検出技術と互換性があり、実用的実装が可能である。