[論文レビュー] Oscillations of atomic energy levels induced by QCD axion dark matter

Hyungjin Kim, Gilad Pérez|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、QCD軸子ダークマターが、軸子-グルーオン相互作用を通じて原子準位に微小で周期的な揺らぎを引き起こす可能性を提唱している。この揺らぎは、高精度な原子分光法によって探査可能である。本研究では、現在および将来の実験、特に原子時計および核時計が、中性子電気電離モーメントや超新星冷却からの既存の制約と同等またはそれを上回る感度で軸子-グルーオン結合を制約可能であることを示している。

ABSTRACT

Axion-gluon interaction induces quadratic couplings between the axion and the matter fields. We find that, if the axion is an ultralight dark matter field, it induces small oscillations of the mass of the hadrons as well as other nuclear quantities. As a result, atomic energy levels oscillate. We use currently available atomic spectroscopy data to constrain such axion-gluon coupling. We also project the sensitivities of future experiments, such as ones using molecular and nuclear clock transitions. We show that current and near-future experiments constrain a finely-tuned parameter space of axion models. These can compete or dominate the already-existing constraints from oscillating neutron electric dipole moment and supernova bound, in addition to those expected from near future magnetometer-based experiments.

研究の動機と目的

• 軸子-グルーオン結合が測定可能な原子準位の揺らぎを引き起こすかどうかを調査すること。
• 既存の原子分光法データを用いて、軸子-グルーオン結合の制約を導出すること。
• 今後の実験、特に分子時計および核時計を含む、この結合を探査する感度を予測すること。
• 中性子電気電離モーメント、超新星冷却、磁力計ベースの探索から得られる既存の制約と比較すること。
• 加速度計および干渉計が、このような揺らぎを検出する可能性を評価すること。

提案手法

• ハドロン状態への結合をモデル化するため、軸子-グルーオン相互作用のラグランジアン L ∝ (g²s / 32π²) (a/f) Gμν G̃μν を使用する。
• バリオンの g 因子および質量がパイオン質量に依存する関係を、O(p³) 段階のチャーミカル摂動論を用いて計算する。
• 水素ハイパーファイン遷移の相対的周波数シフトを導出する：δfH/fH ≈ 10⁻¹⁵ × cos(2mt) / (m₁₅² f₁₀)，ここで m₁₅ = m/10⁻¹⁵ eV および f₁₀ = f/10¹⁰ GeV である。
• ダークマター密度 ρDM ≈ 0.4 GeV/cm³ を使用し、θ²(t) ∝ [1 + cos(2mt)] の周期的プロファイルを仮定する。
• 予測された揺らぎを水素-ケイ素周波数比較および他の分光実験のデータと比較する。
• 核時計および分子時計遷移（229Th異性体およびSrOH系を含む）を用いて、今後の感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軸子-グルーオン結合は、原子準位に測定可能な揺らぎを引き起こすか？
• RQ2 原子分光法から得られる現在の実験的制約は、軸子-グルーオン結合に対してどのようなものか？
• RQ3 今後の原子時計および核時計実験は、この結合に対する感度をどのように向上させるか？
• RQ4 これらの制約は、中性子電気電離モーメントおよび超新星冷却からの既存の制約とどのように比較できるか？
• RQ5 加速度計および干渉計は、基本定数の変動を検出する可能性をどの程度持つか？

主な発見

• 現在の原子分光法実験、特に水素-ケイ素周波数比較において、m ≲ 10⁻¹⁵ eV の範囲で f ≲ 10¹⁰ GeV のレベルで軸子-グルーオン結合が制約されている。
• 今後の核時計および分子時計、例えば ²²⁹Th 異性体および SrOH 遷移を用いることで、感度が桁違いに向上し、m ∼ 10⁻¹⁵ eV の範囲で f ∼ 10¹² GeV の感度に達する可能性がある。
• 原子時計からの予測される制約は、振動する中性子電気電離モーメントや超新星1987Aの冷却からの既存の制約と同等またはそれを上回る可能性がある。
• この手法は、ハドロン質量および磁気モーメントの時間変動を通じて、軸子-グルーオン結合に感度を持つ。この時間変動が原子遷移周波数を変調する。
• 分析から、分光法が、特にQCD軸子の文脈において、繊細に調整されたパrameter空間を探査可能であることが示された。
• 加速度計および干渉計は、潜在的な感度を有しているが、現在のところ原子時計の感度ほど明確に制約されていない。