[論文レビュー] What can a GNOME do? Search targets for the Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches

S. Afach, Deniz Aybas+51 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 158被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、初期の軸子様粒子探索にとどまらず、スカラーおよび擬スカラー場、ドメインウォール、混合パリティのダークマターを含む広範な奇妙な物理学のシナリオを探索するために、グローバル・ネットワーク・オブ・オプティカル・マグネトメーターズ（GNOME）を拡張することを提案する。地理的に離れたセンサーからの信号の相互相関を活用することで、背景雑音を抑えた弱い結合新物理の探索が可能となり、重力波検出器との同期観測や、将来的な機械学習を用いた異常検出との統合によって、発見の可能性が高まる。

ABSTRACT

Numerous observations suggest that there exist undiscovered beyond-the-Standard-Model particles and fields. Because of their unknown nature, these exotic particles and fields could interact with Standard Model particles in many different ways and assume a variety of possible configurations. Here we present an overview of the Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches (GNOME), our ongoing experimental program designed to test a wide range of exotic physics scenarios. The GNOME experiment utilizes a worldwide network of shielded atomic magnetometers (and, more recently, comagnetometers) to search for spatially and temporally correlated signals due to torques on atomic spins from exotic fields of astrophysical origin. We survey the temporal characteristics of a variety of possible signals currently under investigation such as those from topological defect dark matter (axion-like particle domain walls), axion-like particle stars, solitons of complex-valued scalar fields (Q-balls), stochastic fluctuations of bosonic dark matter fields, a solar axion-like particle halo, and bursts of ultralight bosonic fields produced by cataclysmic astrophysical events such as binary black hole mergers.

研究の動機と目的

• グローバル・ネットワーク・オブ・オプティカル・マグネトメーターズ（GNOME）の科学的枠組みを、軸子様粒子探索にとどまらず、より広範な奇妙な物理学のシナリオに拡張すること。
• ドメインウォール、振動する場、混合パリティのダークマターなど、GNOMEで検出可能な多様な天体物理学的・宇宙論的ターゲットを特定・評価すること。
• 複数の空間的に分離した光学磁力計からの信号の相互相関を通じて、バックグラウンド抑制と感度向上を実現すること。
• 原子時計ネットワークや重力波検出器ネットワークなど、他のネットワークとの連携を検討し、マルチメッセンジャーオンラインの奇妙な物理学探索を促進すること。
• 機械学習を用いて、ネットワークの通常の動的状態を学習し、未知または想定外の信号を検出する可能性を評価すること。

提案手法

• 地球を通過する奇妙な粒子場に起因する一時的または恒常的な磁場の変動を、グローバルな光学磁力計ネットワークで検出する。
• 地理的に分散した複数のセンサーからの信号を相互相関させ、局所的ノイズや機器のドリフトとは異なる、一貫性のある天体由来の信号を識別する。
• 軸子様粒子、スカラーおよび擬スカラー場、ドメインウォールなど、多様な奇妙な物理学のシナリオにおける予想される信号応答をモデル化する。
• GNOMEの観測を重力波検出器ネットワーク（例：LIGO/VIRGO）と同期させ、相関する奇妙な信号を探索するマルチメッセンジャーサーチを可能にする。
• GNOMEのデータを用いて機械学習システムを訓練し、ベースラインの動的状態を学習し、新物理を示唆する異常パターンを検出する。
• 原子時計ネットワークと統合し、スカラーおよび擬スカラー場からの信号を相互相関させ、感度とバックグラウンド抑制を向上させる。

Figure 1: Map and list of locations of GNOME stations. Note that the Fribourg station was moved to Jena in 2018.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNOMEの光学磁力計ネットワークを用いた奇妙な物理学探索において、最も有望な天体物理学的・宇宙論的ターゲットは何か？
• RQ2 複数の空間的に分離した磁力計からの信号の相互相関は、バックグラウンド抑制と信号検出感度をどのように向上させるか？
• RQ3 GNOMEを重力波検出器ネットワークとどのように同期させれば、マルチメッセンジャーオンラインの奇妙な物理学天文学を実現できるか？
• RQ4 機械学習手法は、ネットワークの通常の挙動を学習することで、未確認またはモデル化されていない信号を検出できるか？
• RQ5 混合パリティのダークマター候補（例：relaxion）は、光学磁力計ネットワークにおける信号応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• GNOMEは、軸子様粒子にとどまらず、ドメインウォール、振動場、混合パリティのダークマター候補など、広範な奇妙な物理学のシナリオを探索可能である。
• 複数のセンサーからの信号の相互相関により、局所的ノイズや機器のドリフトが効果的に抑制され、弱く一貫性のある信号に対する感度が顕著に向上する。
• GNOMEを重力波検出器ネットワークと同期させることで、特に一時的またはバースト型の信号に対して、新たなマルチメッセンジャーオンラインの奇妙な物理学探索の道筋が開かれる。
• 機械学習アプローチは、ネットワークの通常の動的状態を学習し、異常パターンを検出する可能性を示しており、有望である。
• GNOMEを原子時計ネットワークと統合することで、特に混合内在パリティを持つスカラーおよび擬スカラー場の検出能力が向上する。
• GNOMEの科学的枠組みは、現在の理論的モデルに制限されないため、継続的なデータ収集と高度な解析により、予期しない新物理の発見の可能性が示唆される。

Figure 2: One-day rolling average of the GNOME noise level according to Eq. ( 10 ) over the course of the first five Science Runs. The standard deviation at each magnetometer is calculated using the data for one second. Then this information is averaged for one hour. The color of the line indicates