[논문 리뷰] Constraining Fundamental Constant Variations from Ultralight Dark Matter with Pulsar Timing Arrays

David E. Kaplan, Andrea Mitridate외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 13.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 94인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 펄서 타이밍 어레이(Pulsar Timing Arrays, PTAs)가 초경량 다크 물질(Ultralight Dark Matter, ULDM)에 의해 유도되는 기본 상수의 변화를 두 가지 새로운 신호를 통해 제약할 수 있다고 제안한다: 시간에 따라 변하는 중성자별 관성 모멘트로 인한 펄서 스핀 변동과 ULDM에 의해 유도된 입자 질량 변화로 인한 기준 시계 이동. 몽이된 PTAs 데이터를 사용하여, 저자들은 전자, 뮤온, 글루온에 대한 ULDM 결합에 대해 PTAs가 원자 시계와 토크 밸런스 실험을 능가하고, 쿼크나 광자에 대한 결합에 대해서는 원자 시계의 감도와 맞먹음을 보였다.

ABSTRACT

Pulsar Timing Arrays (PTAs) are exceptionally sensitive detectors in the frequency band $ ext{nHz} \lesssim f \lesssim \mu ext{Hz}$. Ultralight dark matter (ULDM), with mass in the range $10^{-23}\, ext{eV} \lesssim m_\phi \lesssim 10^{-20}\, ext{eV}$, is one class of DM models known to generate signals in this frequency window. While purely gravitational signatures of ULDM have been studied previously, in this work we consider two signals in PTAs which arise in presence of direct couplings between ULDM and ordinary matter. These couplings induce variations in fundamental constants, i.e., particle masses and couplings. These variations can alter the moment of inertia of pulsars, inducing pulsar spin fluctuations via conservation of angular momentum, or induce apparent timing residuals due to reference clock shifts. By using mock data mimicking current PTA datasets, we show that PTA experiments outperform torsion balance and atomic clock constraints for ULDM coupled to electrons, muons, or gluons. In the case of coupling to quarks or photons, we find that PTAs and atomic clocks set similar constraints. Additionally, we discuss how future PTAs can further improve these constraints, and detail the unique properties of these signals relative to the previously studied effects of ULDM on PTAs.

연구 동기 및 목표

• . 초경량 다크 물질(ULDM)으로 인해 시간에 따라 변하는 기본 상수로 인해 발생하는 새로운 PTA 신호를 조사한다.
• . 현재 및 향후 PTA 실험의 감도가 입자 질량과 결합 상수의 ULDM에 의한 변화를 어떻게 평가할 수 있는지 평가한다.
• . PTA 제약 조건을 기존의 원자 시계와 토크 밸런스 실험의 결과와 비교한다.
• . 향후 PTA 데이터셋이 현재 한계에 비해 감도 향상에 얼마나 기여할 수 있는지 정량화한다.
• . 이러한 신호들이 기존에 연구된 PTA 내 ULDM 효과(예: 계량장 변동 또는 제5력)와 어떻게 유일하고 탐지 가능하게 다를지 규명한다.

제안 방법

• . ULDM을 주파수 f ≈ mφ/2π에서 진동하는 고전적 스칼라 장으로 모델링하며, mφ ∈ [10−23, 10−20] eV로 설정한다.
• . 차원 없는 계수 d로 매개되는 효과적 연산자를 통해 ULDM과 표준모형(SM) 부문 간 직접 결합을 도입하여 시간에 따라 변하는 기본 상수를 유도한다.
• . 두 가지 PTA에서 관측 가능한 신호를 유도한다: (1) 관성 모멘트 변화로 인한 각운동량 보존에 의한 펄서 스핀 변동, (2) 입자 질량 변화로 인한 기준 시계 이동으로 인한 타이밍 잔차.
• . IPTA 데이터 릴리스 2를 모방하고 미래의 PTA 데이터셋을 시뮬레이션하기 위해 몽이된 데이터를 사용하여 현실적인 타이밍 잔차를 구현한다.
• . PTMCMCSampler와 ENTERPRISE 소프트웨어를 사용하여 베이지안 추론을 수행하고, 결합 계수 d에 대한 상한을 설정한다.
• . 도출된 제약 조건을 기존의 원자 시계와 토크 밸런스 실험의 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 펄서 타이밍 어레이(Pulsar Timing Arrays, PTAs)는 ULDM에 의해 유도된 기본 상수 변화에 의해 발생하는 펄서 스핀 변동을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 . ULDM에 의해 유도된 입자 질량 변화로 인한 기준 시계 이동은 PTAs에서 측정 가능한 타이밍 잔차를 유도할 수 있는가?
• RQ3 . PTA가 ULDM 결합에 대해 제약하는 조건은 원자 시계와 토크 밸런스 실험의 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 . 현재 및 향후 PTA 데이터셋의 감도는 전자, 뮤온, 쿼크, 광자, 글루온에 대한 ULDM 결합에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 . 이러한 새로운 신호들은 기존에 연구된 PTA 내 ULDM 효과(예: 중력파 배경 또는 계량장 변동)와 어떻게 다를까?

주요 결과

• . 전자, 뮤온, 글루온에 대한 ULDM 결합에 대해, PTA 제약는 현재의 원자 시계와 토크 밸런스 실험의 제약와 경쟁 가능하거나 더 강력하다.
• . 쿼크나 광자에 대한 결합에 대해서는 PTA 제약가 원자 시계의 제약와 유사한 감도를 보이며, 이는 동일한 감도를 의미한다.
• . 펄서 스핀 변동 신호는 ULDM에 의해 유도된 질량 변화로 인해 펄서의 관성 모멘트가 변할 때 각운동량 보존 원리에 의해 발생한다.
• . 기준 시계 이동 신호는 원자 시계를 지배하는 기본 상수가 시간에 따라 변할 때 나타나는 가짜 타이밍 잔차로 나타난다.
• . 향후 PTA 데이터셋은 특히 경량 페르미온과 게이지 보손에 대한 결합에 대해 제약를 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
• . 이러한 신호들은 기존에 연구된 PTA 내 ULDM 효과(예: 중력파 배경 또는 계량장 변동)와 구별되며, 물질과의 ULDM 결합을 탐지하는 새로운 방법을 제공한다.