[论文解读] A Diffraction Grating for the Cosmic Neutrino Background and Dark Matter

Asimina Arvanitaki, Savas Dimopoulos|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出一种宏观的海星状衍射光栅结构，尺寸为1–100米，通过相位光栅效应将局部宇宙中微子背景（CνB）不对称性增强约10^6倍，产生的力比地球对中微子的反射力强约10^3倍。该设计还可高效衍射QCD轴子暗物质，产生高达100倍于仅由CνB产生的梯度力。

ABSTRACT

We propose structures of size between $\sim 1$ meter to 100 meters that drastically alter the local distribution of the Cosmic Neutrino Background ($CνB$). These structures have a shape reminiscent of a sea urchin: They consist of rods of width $w$ and length $L \gg w$ periodically arranged on the surface of sphere of radius $R\sim L$. Such a structure functions as a diffraction phase grating and produces a region around its center where the fractional neutrino-antineutrino asymmetry is $\sim kδ_νL$, where $k$ is the neutrino momentum, and $δ_ν$ the deviation of the neutrino index of refraction from unity. The asymmetry has a gradient set by the rod width. We find that the local neutrino asymmetry can be enhanced by $\mathcal{O}( ext{few} imes 10^6)$ relative to the naive Standard Model expectation, for reasonably sized structures. This results in a force $\mathcal{O}(10^3)$ times bigger than the one we recently pointed out due to the neutrinos' reflection on the surface of the Earth. While in this paper we do not propose a concrete detection setup, we estimate that the $\mathcal{O}(G_F)$ force on a test mass can be close to the Standard Quantum Limit of a torsion balance or a low frequency harmonic oscillator. Finally, we show that this $C νB$ diffractor can be used as a Dark Matter diffractor. For example, the QCD axion Dark Matter with decay constant $f_a$ around $10^9$ GeV can be sufficiently diffracted to produce a gradient force that is up to $\mathcal{O}(10^2)$ times larger than the one from the $C νB$. This is the first setup of this kind and the simplicity of our design suggests that there could be significant improvements that escape us.

研究动机与目标

• 探索能显著改变宇宙中微子背景（CνB）局部分布的宏观结构。
• 设计一种相位光栅结构，以放大中微子-反中微子不对称性梯度，从而增强可探测作用力。
• 证明此类结构亦可作为QCD轴子暗物质的衍射体，增强其相互作用力。
• 提出一种新颖且简单的装置，有望在中微子与暗物质相互作用的精密测试中超越现有作用力灵敏度。

提出的方法

• 设计一个球形结构，其上周期性排列宽度为w、长度L ≫ w的杆，其中R ≈ L为球体半径。
• 将系统建模为衍射相位光栅，通过调制中微子折射率，产生CνB中空间变化的不对称性。
• 利用杆宽的梯度设定中微子不对称性的空间尺度，从而导致与折射率偏差δν梯度成正比的力。
• 推导出力增强因子相对于标准模型中微子不对称性预期值为O(数×10^6)。
• 将模型扩展，证明同一结构亦可衍射QCD轴子暗物质，产生高达O(10^2)倍于仅由CνB产生的梯度力。
• 估算作用在测试质量上的力接近扭秤或低频谐振子的量子标准极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 宏观结构是否能显著增强宇宙中微子背景中的局部中微子-反中微子不对称性？
• RQ2 与地球自然中微子散射相比，此类衍射光栅结构可实现的最大力放大倍数是多少？
• RQ3 同一结构是否能高效衍射QCD轴子暗物质？其产生的力与仅由CνB产生的力相比如何？
• RQ4 作用在测试质量上的力的大小是多少？其与精密测量装置中标准量子极限的接近程度如何？

主要发现

• 所提出的结构使局部CνB中微子-反中微子不对称性相比朴素标准模型预期增强约10^6倍。
• 作用在测试质量上的力相比地球对中微子反射产生的力增强约10^3倍。
• 作用在测试质量上的力达到扭秤或低频谐振子标准量子极限的数量级。
• 同一结构可衍射QCD轴子暗物质，产生高达100倍于仅由CνB产生的梯度力。
• 该设计简单，且暗示存在超越当前估算的进一步优化潜力。