[论文解读] Electromagnetic high-frequency gravitational wave detection

Valerie Domcke|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本文提出利用原本用于轴子搜寻的谐振腔和LC电路探测器，通过引力波在背景电磁场中感应出的电磁场，实现对高频引力波（MHz–THz）的电磁探测。研究表明，现有及计划中的轴子实验可实现对相干引力波的竞争力敏感度，预期极限接近原初黑洞并合与轴子云超辐射等天体物理源的相关范围。

ABSTRACT

Ultra-high frequency gravitational waves in the MHz to THz regime promise a unique possibility to probe the very early universe, particle physics at very high energies and exotic astrophysical objects - but achieving the sensitivity required for detection is an immense challenge. This is a brief summary of recent progress in electromagnetic high-frequency gravitational wave searches, which are based on classical electromagnetism in a space-time perturbed by gravitational waves. A particular focus is given to synergies with axion searches and atomic precision measurements. This article was prepared as proceedings for Moriond EW 2023.

研究动机与目标

• 探索利用原本为轴子搜寻设计的电磁探测器检测高频引力波（MHz–THz）的可行性。
• 建立引力波诱导电磁响应与线性化引力中有效电流形式之间的理论框架。
• 量化现有及计划中的轴子驻波腔和微波谐振腔实验对相干引力波信号的灵敏度。
• 识别并解决检测高频引力波的关键挑战，包括相干性、探测器几何结构与规范不变性。
• 突出引力波探测与粒子物理及原子物理中精密测量之间的协同效应。

提出的方法

• 利用线性化引力与经典电磁学，在弱扰动的闵氏时空背景下推导引力波诱导的有效电磁电流。
• 将有效电流形式应用于表明，引力波在外部磁场中产生的电磁响应类似于轴子与磁场的耦合。
• 将低质量轴子驻波腔（如ABRACADABRA、ADMX SLIC、WISPLC、DMRadio）的设计适配为通过谐振LC电路中感应磁通来探测引力波。
• 利用高品质因子 $ Q_{\rm em} $ 的微波谐振腔增强对引力波的电磁响应，通过耦合系数 $ \eta_n $ 建模与腔模的耦合。
• 通过比较轴子与引力波情况下感应磁通的标度关系，将现有的轴子搜寻界限与灵敏度重新表述为引力波应变极限。
• 通过分析感应电磁场随频率 $ \omega $、探测器尺寸 $ L $ 与磁场 $ B_0 $ 的参数标度，评估对相干引力波信号的灵敏度。

Figure 1 : Sensitivities of high-frequency EM GW detectors to a coherent GW with amplitude $h$ for existing experiments (solid) and proposed experiments (dashed): microwave cavities [ 6 , 25 ] , LC circuits [ 18 ] , frequency modulation [ 39 ] , cosmological detectors [ 41 ] and photon regeneration

实验结果

研究问题

• RQ1 现有轴子驻波腔是否可经改造用于通过电磁感应探测高频引力波？
• RQ2 谐振探测器（如圆柱对称）的几何结构如何影响其对引力波诱导电磁信号的灵敏度？
• RQ3 微波谐振腔实验在MHz–THz频段对相干引力波的可实现灵敏度如何？
• RQ4 引力波探测中感应电磁场的标度律与轴子探测中的相比有何异同？
• RQ5 利用电磁方法探测高频引力波面临的关键实验与理论挑战是什么？

主要发现

• 现有轴子驻波腔如ADMX SLIC可对引力波应变设置具有竞争力的限制，重新标定后的界限可达 $ h \sim 10^{-25} $（针对相干信号）。
• WISPLC与DMRadio计划的预期灵敏度预计可达到 $ h \sim 10^{-26} $，适用于MHz–THz频段的相干引力波。
• LC电路中的圆柱对称性会抑制引力波响应的一阶贡献，但可通过引入拾取线圈结构破坏对称性以克服此问题。
• 微波谐振腔实验通过共振增强感应电磁场，其响应标度为 $ E^{(\rm em)}_h \sim \eta_n Q_{\rm em} (\omega L) h B_0 $，从而在高频下实现高灵敏度。
• 来自宇宙磁场环境（如EDGES、ARCADE 2）的理论界限因磁场强度知识不足而高度不确定，极限范围在 $ h \sim 10^{-25} $ 至 $ 10^{-23} $ 之间，取决于假设条件。
• 尽管已有进展，但即使是最乐观的当前提案，距离探测真实天体物理或宇宙学相干引力波信号仍相差数个数量级。