[논문 리뷰] Search for axionlike dark matter with nuclear spins in a single-component liquid

Teng Wu, John W. Blanchard외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 30.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 아크시온 유사 어두운 물질의 핵 스핀과의 결합을 통해 탐지하기 위해 아세토니트릴-2-$^{13}$C의 단일 성분 액체에서 핵자기공명(NMR)을 사용한다. $^{13}$C와 $^{1}$H를 이용한 이중핵 공공진도법을 통해, 10^{-22} eV에서 1.3 \times 10^{-17} eV 사이의 아크시온 질량 범위에서 95% 신뢰수준에서 $g_{aNN} < 6 \times 10^{-5}$ GeV$^{-1}$의 새로운 실험적 한계를 설정하였으며, 이는 10^{-21} eV 이하의 이전 제약을 향상시킨 것이다.

ABSTRACT

We report the results of a search for axionlike dark matter using nuclear magnetic resonance (NMR) techniques. This search is part of the multi-faceted Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr) program. In order to distinguish axionlike dark matter from magnetic fields, we employ a comagnetometry scheme measuring ultralow-field NMR signals involving two different nuclei ($^{13}$C and $^{1}$H) in a liquid-state sample of acetonitrile-2-$^{13}$C ($^{13}$CH$_{3}$CN). No axionlike dark matter signal was detected above background. This result constrains the parameter space describing the coupling of the gradient of the axionlike dark matter field to nucleons to be $g_{aNN}<6 imes 10^{-5}$ GeV$^{-1}$ (95$\%$ confidence level) for particle masses ranging from $10^{-22}$ eV to $1.3 imes10^{-17}$ eV, improving over previous laboratory limits for masses below $10^{-21}$ eV. The result also constrains the coupling of nuclear spins to the gradient of the square of the axionlike dark matter field, improving over astrophysical limits by orders of magnitude over the entire range of particle masses probed.

연구 동기 및 목표

• 액체 상태 NMR 시스템에서 핵 스핀의 정현운동을 이용해 아크시온 유사 어두운 물질을 탐지하기 위해 노력한다.
• 이중핵 공공진도법을 통해 환경의 자장과의 혼동을 피하고 아크시온 유사 어두운 물질 신호를 식별한다.
• 아크시온 유사 입자가 낙관과의 결합에 대해 실험적 제약을 향상시킨다.
• 핵 스핀과 아크시온 장의 제곱에 대한 기울기의 결합을 탐색하여 천체물리학적 제약을 초월한다.

제안 방법

• 아세토니트릴-2-$^{13}$C의 단일 성분 액체 시료에서 초저자장 핵자기공명(NMR)을 활용한다.
• $^{13}$C와 $^{1}$H 핵을 이용한 공공진도법을 통해 공통 모드의 자장 노이즈를 제거한다.
• 핵 스핀의 정현운동 주파수를 측정하여 아크시온 유사 어두운 물질 장과의 결합을 탐지한다.
• 아크시온 장의 기울기와 핵 스핀의 자화모멘트 간의 결합을 스핀 정현운동 이격을 통해 분석한다.
• 통계적 분석을 통해 95% 신뢰수준에서 결합 상수에 대한 상한을 설정한다.
• 장수명의 양자 얽힘과 약한 상호작용에 대한 고감도 측정이 가능한 액체 상태 시스템을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 상태 NMR 실험에서 핵 스핀과의 결합을 통해 아크시온 유사 어두운 물질을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 두 가지 다른 핵을 이용한 공공진도법은 어떻게 자장 노이즈를 억제하고 아크시온 유사 어두운 물질 신호를 분리하는가?
• RQ3 저질량 아크시온 유사 입자에 대해 아크시온-핵 입자 결합 상수 $g_{aNN}$에 대한 향상된 실험적 제약는 무엇인가?
• RQ4 핵 스핀의 정현운동은 아크시온 장의 제곱에 대한 기울기와의 결합을 얼마나 정밀하게 제약할 수 있는가?
• RQ5 이 실험 결과는 탐색된 질량 범위 전반에서 천체물리학적 제약와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 배경 이상의 아크시온 유사 어두운 물질 신호는 관측되지 않았으며, 이는 탐색의 null 결과와 일치한다.
• 10^{-22} eV에서 1.3 \times 10^{-17} eV 사이의 아크시온 질량 범위에서 95% 신뢰수준에서 $g_{aNN} < 6 \times 10^{-5}$ GeV$^{-1}$의 새로운 실험적 상한을 설정하였다.
• 이 제약은 10^{-21} eV 이하의 아크시온 질량에 대해 이전의 실험 제약을 향상시켰다.
• 아크시온 장의 제곱에 대한 기울기와 핵 입자의 결합은 탐색된 전체 질량 범위에서 천체물리학적 제약보다 향상된 감도로 제약되었다.
• 공공진도법 기술은 자장 노이즈를 성공적으로 억제하여 약한 아크시온 유사 상호작용의 고감도 탐지가 가능했다.
• 결과는 통제된 실험 환경에서 저질량 아크시온 유사 어두운 물질을 탐지하기 위해 액체 상태 NMR가 실현 가능하다는 것을 보여준다.