[논문 리뷰] Modified Axion Electrodynamics through Oscillating Vacuum Polarization and Magnetization and Low Mass Detection using Electric Sensing

Michael E. Tobar, Ben T. McAllister외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 05.

Quantum and Classical Electrodynamics인용 수 2

한 줄 요약

논문은 축성자-유도 효과—진동하는 극화 및 자화—를 D, H, B, E 장의 구성관계에 통합하여 효과적인 자극원으로 간주함으로써 축성자 수정 전기역학을 재구성한다. 정방향 자화장이 축성자 주파수로 진동하는 극화를 유도하며, 이는 복사 전기절연체와 유사하다. 반면 정방향 전기장은 진동하는 자화를 유도하며, 이는 전기 감지에 의한 저질량 축성자 탐지 가능성을 제공한다. 이는 효과적 전류 및 벡터 포텐셜 결합을 통한 축성자 유도 전압 신호의 전기적 감지에 기여한다.

ABSTRACT

We present a reformulation of axion modified electrodynamics with all modifications redefined within the constitutive relations between the D,H,B and E fields. This allows the interpretation of the axion induced background bound charge, polarization current and background polarization and magnetization satisfying the charge-current continuity equation. This representation is of similar form to photon sector odd-parity Lorentz invariance violating background fields. We show that when a DC B-field is applied an oscillating background polarization is induced at a frequency equivalent to the axion mass. In contrast, when DC E-field is applied, an oscillating background magnetization is induced at a frequency equivalent to the axion mass. We show that these terms are equivalent to impressed source terms, analogous to the way that voltage and current sources are impressed into Maxwell's equations in circuit and antenna theory. The impressed source terms represent the conversion of external energy into electromagnetic energy, and in the case of axion modified electrodynamics this is due to the inverse Primakoff effect converting energy from axions into photons. The axion induced oscillating polarization under a DC magnetic field is analogous to a permanent polarised electret oscillating at the axion Compton frequency, which sources an electromotive force from an effective impressed magnetic current source. In particular, it is shown that the impressed electrical DC current that drives the solenoidal magnetic DC field of an electromagnet, induces an impressed magnetic current parallel to the DC electrical current, oscillating at the Compton frequency of the axion. We show that the magnetic current drives a voltage source through an electric vector potential and also defines the boundary condition of the oscillating axion induced polarization inside and outside the electromagnet.

연구 동기 및 목표

• D, H, B, E 장의 구성관계에 모든 축성자 유도 효과를 통합함으로써 축성자 수정 전기역학을 재구성하는 것.
• 축성자 유도 배경 전하, 극화 및 자화를 연속 방정식의 해로 해석하여 보존 법칙과의 일관성을 확보하는 것.
• 정방향 자화장 또는 전기장 조건 하에서 축성자 콜모프 주파수에서의 진동하는 극화 및 자화가 발생함을 보여주며, 이는 전자기 반응을 통한 탐지 가능성을 제공하는 것.
• 축성자 유도 효과와 회로 및 안테나 이론에서의 자극원 사이의 형식적 유사성을 수립함으로써 전기 감지를 통한 탐지 가능성을 확보하는 것.
• 정방향 필드 조건에서 축성자 유도 진동 극화 및 자화로 인한 유도 전압을 활용하여 저질량 축성자 탐지 가능성을 제공하는 것.

제안 방법

• 축성자 유도 극화 및 자화를 효과적 배경장으로 포함하도록 구성관계를 재정의함으로써 축성자 수정 전기역학을 재구성하는 것.
• 정방향 자화장 하에서 축성자 유도 진동 극화를 효과적 자극 자기전류원으로 모델링하며, 이는 복사 전기절연체와 유사하다.
• 정방향 전기장 하에서 축성자 유도 진동 자화를 효과적 자극 전류원으로 모델링하며, 이는 자석 이중극자 방출기와 유사하다.
• 유도된 자석 전류와 측정 가능한 전압 신호 간의 관계를 전기 벡터 포텐셜을 통해 수립하는 것.
• 특히 electromagnet 내외에서 축성자 유도 극화 및 자화에 대한 경계 조건을 유도하는 것.
• 역 프리마코프 효과를 통한 축성자 에너지의 전자기 에너지로의 변환을 맥스웰 방정식의 효과적 자극원 항으로 간주하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D, H, B, E 장의 구성관계에 모든 축성자 유도 효과를 통합함으로써 축성자 수정 전기역학을 어떻게 재구성할 수 있는가?
• RQ2 정방향 자화장 또는 전기장에 노출된 저질량 축성자의 전자기적 특징은 무엇인가?
• RQ3 정방향 필드 조건 하에서 축성자 유도 진동 극화 및 자화는 어떻게 행동하며, 그 효과적 소스 항은 무엇인가?
• RQ4 역 프리마코프 효과는 맥스웰 방정식의 효과적 자극원으로 모델링될 수 있는가? 이를 통해 전기 감지를 통한 탐지가 가능한가?
• RQ5 정방향 필드 존재 하에서 물질 인터페이스에서 축성자 유도 극화 및 자화에 대한 경계 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 정방향 자화장이 작용할 경우 축성자 콜모프 주파수에서 진동하는 배경 극화가 유도되며, 이는 복사 전기절연체와 유사하다.
• 정방향 전기장이 작용할 경우 축성자 콜모프 주파수에서 진동하는 배경 자화가 유도되며, 이는 자석 이중극자 방출기와 유사하다.
• 솔레노이드 내 정방향 전류에 의해 유도된 자극 자기전류는 전류 방향과 평행하며 축성자 콜모프 주파수에서 진동하여 전압 생성을 가능하게 한다.
• 축성자 유도 자기전류는 전기 벡터 포텐셜을 통해 측정 가능한 전압 신호를 유도하며, 이는 축성자 전기 감지의 길을 열어준다.
• 전자기석 내외에서 축성자 유도 극화에 대한 경계 조건이 정의되어 신호 응답의 일관된 모델링이 가능하다.
• 효과적 자극 소스 항은 역 프리마코프 효과를 통한 축성자에서 광자로의 에너지 변환을 나타내며, 이는 회로 이론의 전압 및 전류 소스와 유사하다.