[论文解读] Constraining Fundamental Constant Variations from Ultralight Dark Matter with Pulsar Timing Arrays

David E. Kaplan, Andrea Mitridate+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 94被引用 38

一句话总结

本文提出，脉冲星计时阵列（PTA）可通过两种新型信号约束由极轻暗物质（ULDM）引起的物理常数变化：一是由于中子星转动惯量随时间变化引起的脉冲星自旋涨落；二是由于ULDM引起粒子质量变化导致的参考钟偏移。利用模拟PTA数据，作者表明，对于ULDM与电子、μ子或胶子的耦合，PTA的约束能力优于原子钟和扭转平衡实验；对于与夸克或光子的耦合，PTA的灵敏度与原子钟相当。

ABSTRACT

Pulsar Timing Arrays (PTAs) are exceptionally sensitive detectors in the frequency band $ ext{nHz} \lesssim f \lesssim \mu ext{Hz}$. Ultralight dark matter (ULDM), with mass in the range $10^{-23}\, ext{eV} \lesssim m_\phi \lesssim 10^{-20}\, ext{eV}$, is one class of DM models known to generate signals in this frequency window. While purely gravitational signatures of ULDM have been studied previously, in this work we consider two signals in PTAs which arise in presence of direct couplings between ULDM and ordinary matter. These couplings induce variations in fundamental constants, i.e., particle masses and couplings. These variations can alter the moment of inertia of pulsars, inducing pulsar spin fluctuations via conservation of angular momentum, or induce apparent timing residuals due to reference clock shifts. By using mock data mimicking current PTA datasets, we show that PTA experiments outperform torsion balance and atomic clock constraints for ULDM coupled to electrons, muons, or gluons. In the case of coupling to quarks or photons, we find that PTAs and atomic clocks set similar constraints. Additionally, we discuss how future PTAs can further improve these constraints, and detail the unique properties of these signals relative to the previously studied effects of ULDM on PTAs.

研究动机与目标

• 研究由极轻暗物质（ULDM）引起的随时间变化的物理常数所引发的新型PTA信号。
• 评估当前及未来PTA实验对ULDM引起的粒子质量与耦合常数变化的敏感度。
• 将PTA的约束与现有原子钟和扭转平衡实验的限制进行比较。
• 量化未来PTA数据集相对于当前限制所能实现的灵敏度提升。
• 确立这些信号与先前研究的PTA中ULDM效应（如度规涨落或第五种力）相比的独特性与可探测性。

提出的方法

• 将ULDM建模为在频率 f ≈ mφ/2π 下振荡的经典标量场，其中 mφ ∈ [10−23, 10−20] eV。
• 通过有效算符引入ULDM与标准模型（SM）场之间的直接耦合，用无量纲系数 d 参数化，从而导致物理常数随时间变化。
• 推导出两种可由PTA观测的信号：(1) 当转动惯量变化时，由于角动量守恒导致的脉冲星自旋涨落；(2) 由于粒子质量变化引起参考钟偏移而产生的时标残差。
• 使用模拟数据模拟IPTA数据发布2的观测特征以及一个未来PTA数据集，以生成真实的时标残差。
• 利用PTMCMCSampler和ENTERPRISE软件进行贝叶斯推断，对耦合系数 d 设定上限。
• 将所得约束与原子钟和扭转平衡实验的现有限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星计时阵列能否通过脉冲星自旋涨落探测ULDM引起的物理常数变化？
• RQ2 ULDM引起粒子质量变化导致的参考钟偏移是否会在PTA中产生可测量的时标残差？
• RQ3 PTA对ULDM耦合的约束与原子钟和扭转平衡实验的限制相比如何？
• RQ4 当前及未来PTA数据集对ULDM与电子、μ子、夸克、光子和胶子耦合的敏感度如何？
• RQ5 这些新信号与PTA中先前研究的ULDM效应（如度规涨落或第五种力）有何不同？

主要发现

• 对于ULDM与电子、μ子或胶子的耦合，PTA的约束与当前原子钟和扭转平衡实验的限制相当或更优。
• 对于与夸克或光子的耦合，PTA的约束与原子钟的灵敏度相当，表明具有相似的探测能力。
• 脉冲星自旋涨落信号源于ULDM引起的质量变化改变脉冲星转动惯量时角动量守恒的结果。
• 参考钟偏移信号表现为由于决定原子钟运行速率的基本常数随时间变化而产生的表观时标残差。
• 未来PTA数据集有望显著提升约束能力，尤其在轻费米子和规范玻色子耦合方面。
• 这些信号与PTA中先前研究的ULDM效应（如引力波背景或度规涨落）不同，为探测ULDM与物质耦合提供了新途径。