[论文解读] Axion Dark Matter Search with Interferometric Gravitational Wave Detectors

Koji Nagano, Ippei Obata+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出在激光干涉引力波探测器（如Advanced LIGO、Cosmic Explorer和DECIGO）中利用法布里-珀罗腔，通过测量轴子-光子耦合引起的左旋和右旋圆偏振光子之间的差分相位移，来搜寻轴子暗物质。该方法在轴子质量分别为 $ m \simeq 3 \times 10^{-13} $ eV 和 $ 2 \times 10^{-15} $ eV 时，分别实现了 $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 8 \times 10^{-13}~\text{GeV}^{-1} $（类似Cosmic-Explorer）和 $ 4 \times 10^{-14}~\text{GeV}^{-1} $（类似Advanced LIGO）的灵敏度，且不降低引力波探测的灵敏度。

ABSTRACT

Axion dark matter differentiates the phase velocities of the circular-polarized photons. In Phys.Rev.Lett. 123 (2019) no.11, 111301, we have proposed a scheme to measure the phase difference by using a linear optical cavity. If the scheme is applied to the Fabry-Pérot arm of Advanced LIGO-like (Cosmic-Explorer-like) gravitational wave detector, the potential sensitivity to the axion-photon coupling constant, $g_{ ext{a}γ}$, reaches $g_{ ext{a}γ} \simeq 8 imes10^{-13} ext{GeV}^{-1}\, (4 imes 10^{-14} ext{GeV}^{-1})$ at the axion mass $m \simeq 3 imes 10^{-13}$ eV ($2 imes10^{-15}$ eV) and remains at around this sensitivity for 3 orders of magnitude in mass. Furthermore, its sensitivity has a sharp peak reaching $g_{ ext{a}γ} \simeq 10^{-14} ext{GeV}^{-1}\ (8 imes10^{-17} ext{GeV}^{-1})$ at $m = 1.563 imes10^{-10}$ eV ($1.563 imes10^{-11}$ eV). This sensitivity can be achieved without loosing any sensitivity to gravitational waves.

研究动机与目标

• 开发一种新方法，利用现有激光干涉引力波探测器在不改变其核心功能的前提下探测轴子暗物质。
• 克服传统轴子搜寻方法对强磁场和超导磁体的依赖。
• 利用法布里-珀罗腔中轴子-光子耦合引起的圆偏振光子相速度差异。
• 在宽广的轴子质量范围内实现对轴子-光子耦合常数 $ g_{\text{a}\gamma} $ 的散粒噪声极限灵敏度。
• 证明引力波探测器可在不损失灵敏度的前提下，同时搜寻轴子并探测引力波。

提出的方法

• 该方法利用引力波探测器中的线性法布里-珀罗腔，检测轴子暗物质引起的左旋与右旋圆偏振光子之间的相速度差异。
• 轴子引起的相位移 $ \delta\phi(t) $ 通过依赖于腔长、镜面反射率及轴子质量的响应函数 $ H_{\text{a}}(m) $ 建模。
• 通过测量探测端口的偏振调制提取信号，最优灵敏度出现在腔体共振（自由光谱范围）及低质量区域（$ mL \ll 1 $）。
• 在散粒噪声极限条件下计算信噪比（SNR），其标度行为因观测时间 $ T_{\text{obs}} $ 是否短于轴子振荡相干时间 $ \tau $ 而异。
• 对于临界耦合腔体，探测端口（a）为最优；对于过耦合配置，端口（b）更优。
• 该方案设计与现有激光干涉仪架构兼容，轴子信号以与引力波信号相同方式提取，最大限度减少硬件改动。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有激光干涉引力波探测器能否在不降低其主要引力波探测灵敏度的前提下，被重新用于搜寻轴子暗物质？
• RQ2 在引力波探测器的法布里-珀罗腔中，轴子-光子耦合常数 $ g_{\text{a}\gamma} $ 的理论灵敏度极限是多少？
• RQ3 轴子引起的圆偏振光子之间的相位移如何随轴子质量和腔体参数变化？
• RQ4 散粒噪声是否为该轴子搜寻的主要限制因素？信噪比如何依赖于观测时间与轴子相干时间的关系？
• RQ5 主要技术噪声源是什么？在实际探测器配置中，能否将其抑制到散粒噪声水平以下？

主要发现

• 该方法在轴子质量 $ m \simeq 3 \times 10^{-13} $ eV 时，对类似Cosmic-Explorer的探测器实现了 $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 8 \times 10^{-13}~\text{GeV}^{-1} $ 的灵敏度，优于当前限制。
• 对于类似Advanced LIGO的探测器，在 $ m \simeq 2 \times 10^{-15} $ eV 时灵敏度达到 $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 4 \times 10^{-14}~\text{GeV}^{-1} $。
• 该方法在宽广的轴子质量范围内保持高灵敏度，在 $ m = 1.563 \times 10^{-10} $ eV 处出现尖锐峰值，灵敏度达 $ g_{\text{a}\gamma} \simeq 10^{-14}~\text{GeV}^{-1} $（针对类似Cosmic-Explorer的探测器）。
• 由于镜面位移或引力波引起的共同相位噪声在差分相位测量中相互抵消，该方法保持了完整的引力波探测灵敏度。
• 镜面滚动运动被识别为潜在噪声源，但其功率谱密度在aLIGO中估计低于散粒噪声水平（$ \sqrt{S_{\text{roll}}} < 3 \times 10^{-26}~\text{rad}/\sqrt{\text{Hz}} $），当 $ m > 10^{-14} $ eV 时成立。
• 该方案与现有探测器兼容，轴子信号可在信号回收镜后提取，无需修改主激光干涉仪。