[논문 리뷰] What can a GNOME do? Search targets for the Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches

S. Afach, Deniz Aybas외 51명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 02.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 158인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 원래 축축한 입자 탐색에 국한된 글로벌 옵티컬 매그네토미터 네트워크(GNOME)를 확장하여 스칼라 및 페시스칼라 필드, 도메인 월, 혼합 편극성 어두운 물질 등 다양한 이국적 물리 현상 시나리오를 탐색하는 것을 제안한다. 지리적으로 분리된 센서들 간의 신호 상관관계를 활용함으로써, 약하게 결합된 새로운 물리 현상에 대한 배경 억제 탐색이 가능하며, 중력파 탐지기와의 동기화 관측을 통해 발견 가능성이 있으며, 향후 기계학습을 통한 이상 탐지 기술과의 통합 가능성도 있다.

ABSTRACT

Numerous observations suggest that there exist undiscovered beyond-the-Standard-Model particles and fields. Because of their unknown nature, these exotic particles and fields could interact with Standard Model particles in many different ways and assume a variety of possible configurations. Here we present an overview of the Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches (GNOME), our ongoing experimental program designed to test a wide range of exotic physics scenarios. The GNOME experiment utilizes a worldwide network of shielded atomic magnetometers (and, more recently, comagnetometers) to search for spatially and temporally correlated signals due to torques on atomic spins from exotic fields of astrophysical origin. We survey the temporal characteristics of a variety of possible signals currently under investigation such as those from topological defect dark matter (axion-like particle domain walls), axion-like particle stars, solitons of complex-valued scalar fields (Q-balls), stochastic fluctuations of bosonic dark matter fields, a solar axion-like particle halo, and bursts of ultralight bosonic fields produced by cataclysmic astrophysical events such as binary black hole mergers.

연구 동기 및 목표

• 글로벌 옵티컬 매그네토미터 네트워크(GNOME)의 과학적 사례를 축축한 입자 탐색을 넘어서 더 넓은 범위의 이국적 물리 현상 시나리오로 확장하기.
• 도메인 월, 진동하는 필드, 혼합 편극성 어두운 물질 등 다양한 천체물리학적 및 천문학적 목표를 식별하고, GNOME로 탐지 가능한지 평가하기.
• 다양한 공간적으로 분리된 옵티컬 매그네토미터에서의 신호 상관관계를 통해 배경 억제 및 감도 향상 실현하기.
• 원자 시계 및 중력파 탐지기 네트워크와 같은 다른 네트워크와의 융합을 통해 다메시지어 이론적 물리 현상 탐색 가능성 탐색하기.
• 기계학습을 활용해 네트워크의 정상적인 동적 상태를 학습함으로써, 알려지지 않은 또는 모델링되지 않은 신호를 탐지할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 지구를 통과하는 이국적 입자 필드에서 유래하는 일시적 또는 지속적인 진동하는 자기장 신호를 감지하기 위해 글로벌 옵티컬 매그네토미터 네트워크를 활용한다.
• 지리적으로 분리된 다수의 센서에서의 신호 상관관계를 통해 국지적 노이즈와 기기의 드리프트로부터 구분되는 일관된 천체물리학적 기원의 신호를 식별한다.
• 축축한 입자, 스칼라 및 페시스칼라 필드, 도메인 월 등 다양한 이국적 물리 현상 시나리오에 대한 기대 신호 반응을 모델링한다.
• LIGO/VIRGO와 같은 중력파 탐지기 네트워크와 GNOME 관측을 동기화하여 상관된 이국적 신호를 탐지하는 다메시지어 탐색을 가능하게 한다.
• GNOME 데이터를 기반으로 기계학습 시스템을 훈련시켜 네트워크의 기본 동적 상태를 학습하고, 새로운 물리 현상의 징후가 되는 비정상적 패턴을 탐지한다.
• 원자 시계 네트워크와 통합하여 스칼라 및 페시스칼라 필드에서 유래하는 신호를 상관관계로 분석함으로써 감도 향상과 배경 억제를 강화한다.

Figure 1: Map and list of locations of GNOME stations. Note that the Fribourg station was moved to Jena in 2018.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옵티컬 매그네토미터 네트워크인 GNOME을 활용한 이국적 물리 현상 탐색에 있어 가장 유망한 천체물리학적 및 천문학적 목표는 무엇인가?
• RQ2 다양한 공간적으로 분리된 매그네토미터에서의 신호 상관관계는 배경 억제 및 신호 탐지 감도 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 GNOME는 중력파 탐지기 네트워크와 어떻게 동기화되어 다메시지어 이론적 물리 현상 천문학을 가능하게 하는가?
• RQ4 기계학습 기법을 활용해 네트워크의 정상적인 행동을 학습함으로써, 이전에 알려지지 않았거나 모델링되지 않은 신호를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 혼합 편극성 어두운 물질 후보자인 릭스론과 같은 경우, 옵티컬 매그네토미터 네트워크에서의 신호 반응에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GNOME는 축측한 입자 이외에도 도메인 월, 진동하는 필드, 혼합 편극성 어두운 물질 후보자 등 다양한 이국적 물리 현상 시나리오를 탐색할 수 있다.
• 다양한 센서에서의 신호 상관관계를 통해 국지적 노이즈와 기기 드리프트를 효과적으로 억제할 수 있으며, 이는 약한 일관된 신호에 대한 감도를 크게 향상시킨다.
• GNOME를 중력파 탐지기 네트워크와 동기화함으로써, 특히 일시적 또는 버스트 유형의 신호에 대해 새로운 다메시지어 이론적 물리 현상 탐색의 길을 열어 놓는다.
• 기계학습 접근법은 네트워크의 정상적인 동적 상태를 학습함으로써 비정상적 또는 이전에 모델링되지 않은 신호를 탐지하는 데 유망한 가능성을 보인다.
• GNOME를 원자 시계 네트워크와 통합함으로써 스칼라 및 페시스칼라 필드에 대한 탐지 능력을 향상시킬 수 있으며, 특히 혼합 내재 편극성을 가진 필드에 대해 유리하다.
• GNOME의 과학적 사례는 현재 이론 모델에 의해 제한되지 않으며, 지속적인 데이터 수집과 고도의 분석을 통해 놀라운 새로운 물리 현상의 발견 가능성이 있다.

Figure 2: One-day rolling average of the GNOME noise level according to Eq. ( 10 ) over the course of the first five Science Runs. The standard deviation at each magnetometer is calculated using the data for one second. Then this information is averaged for one hour. The color of the line indicates