[论文解读] Comagnetometer probes of dark matter and new physics

W. A. Terrano, Michael Romalis|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 107被引用 5

一句话总结

本文综述了原子共磁力测量作为探测新物理（包括暗物质和标准模型之外的自旋相互作用）的领先技术。通过比较具有不同磁性和非磁性耦合的核自旋，该技术实现了高达10⁻²⁶ eV的极端能量灵敏度，从而能够探测电偶极矩、洛伦兹对称性破坏、轴子型暗物质以及长程自旋依赖的相互作用。

ABSTRACT

We discuss the use of comagnetometry in studying new physics that couples to fermionic spin. Modern comagnetometry is -- in absolute energy units -- the most sensitive experimental technique for measuring the energy difference between quantum states, reaching sensitivities in the $10^{-26}\,$eV range. The technique suppresses the magnetic interactions of the spins, making searches for non-standard-model interactions possible. Many implementations have been developed and optimized for various uses. New physics scenarios which can be probed with comagnetometers include: EDMs, violations of Lorentz invariance, Goldstone bosons of new high-energy symmetries, CP-violating long-range forces, and axionic dark matter. We consider the prospects for improvements in the technique, and show -- based purely on signal-to-noise ratio with existing technology -- that there is room for several orders of magnitude in further improvement. We also evaluate several sources of systematic error and instability that may limit improvements.

研究动机与目标

• 综述共磁力测量在探测标准模型之外物理方面的最新进展。
• 识别并量化共磁力计系统对关键新物理场景（包括轴子型暗物质和电偶极矩）的灵敏度。
• 评估利用现有技术将统计灵敏度提高若干数量级的前景。
• 评估可能限制未来灵敏度提升的系统误差和环境不稳定性。
• 概述未来实验升级所需的技术要求，以实现最具雄心的物理目标。

提出的方法

• 利用光学泵浦在惰性气体（如³He和¹²⁹Xe）中制备高度极化的核自旋集合。
• 采用基于SQUID的读出系统，以高精度测量自旋进动频率。
• 通过比较两种核自旋种类（如³He和¹²⁹Xe）的进动频率，消除共同模式的磁场噪声。
• 施加随时间变化的场（如用于电偶极矩探测的电场），以隔离非磁性、标准模型之外的相互作用。
• 利用自旋进动信号的频率比或线性组合，抑制磁场波动，从而分离出新物理信号。
• 对磁场不稳定、地球自转和漏电流等系统误差进行建模，并为未来实验设定稳定性要求。

Figure 1. The progress in comagnetometer energy sensitivity since Hughes and Drever. These results are for the energy of a spin due to its absolute orientation. The largest improvements came with the ability to create relatively pure ensemble quantum states via optical pumping, in the 1980s, and wit

实验结果

研究问题

• RQ1 共磁力测量当前的能量灵敏度是多少？与探测新物理的其他技术相比如何？
• RQ2 共磁力测量如何抑制磁场噪声，以分离出微弱的、标准模型之外的自旋相互作用？
• RQ3 共磁力计系统在探测轴子型暗物质和电偶极矩方面的预期灵敏度是多少？
• RQ4 哪些环境和仪器不稳定性对未来灵敏度提升构成最大威胁？
• RQ5 为实现探测大统一尺度轴子和¹²⁹Xe电偶极矩标准模型预测所需的灵敏度，需要哪些实验升级？

主要发现

• 现代共磁力计已实现10⁻²⁶ eV量级的能量灵敏度，自20世纪60年代以来提升了12个数量级。
• 2019年Xe-EDM实验实现了1.77 μHz/μA的统计灵敏度，用于漏电流效应，将漏电流限制在≤40 fA以内。
• 未来共磁力计系统有望探测对称性破缺尺度达10¹⁶ GeV的轴子型暗物质，接近大统一能标。
• ¹²⁹Xe电偶极矩的标准模型预测值（5×10⁻³⁵ e·cm）在额外提升一个数量级灵敏度后，有望被未来共磁力计探测到。
• 磁场不稳定性和地球自转引起的系统误差分别要求亚飞特斯拉（sub-fT）和亚微弧度（sub-μrad）的稳定性，以维持灵敏度。
• 在保守假设下，共磁力计在100天积分后，有望实现对轴子耦合在10⁻³³ eV量级的灵敏度。