[论文解读] Dark Matter Search with a Resonantly-Coupled Hybrid Spin System

Kai Wei, Zitong Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 11

一句话总结

本文在碱金属-惰性气体传感器中展示了强耦合混合自旋共振（HSR）方案，用于在0.01至1000 Hz范围内进行宽带 axion样暗物质搜索，并在轴子-核子耦合方面设定具有竞争力的实验室上限。

ABSTRACT

Recent advances in tabletop quantum sensor technology have enabled searches for nongravitational interactions of dark matter (DM). Traditional axion DM experiments rely on sharp resonance, resulting in extensive scanning time to cover a wide mass range. In this work, we present a broadband approach in an alkali-${}^{21}$Ne spin system. We identify two distinct hybrid spin-coupled regimes: a self-compensation (SC) regime at low frequencies and a hybrid spin resonance (HSR) regime at higher frequencies. By utilizing these two distinct regimes, we significantly enhance the bandwidth of ${}^{21}$Ne nuclear spin compared to conventional nuclear magnetic resonance, while maintaining competitive sensitivity. We present a comprehensive broadband search for axion-like dark matter, covering 5 orders of magnitude of Compton frequencies range within $[10^{-2}, \, 10^3]$ Hz. We set new constraints on the axion dark matter interactions with neutrons and protons, accounting for the effects of DM stochasticity. For the axion-neutron coupling, our results reach a low value of $|g_{ann}|\le 3 imes 10^{-10}$ in the frequency range $[2 imes 10^{-2}, \, 4]$ Hz surpassing astrophysical limits and providing the strongest laboratory constraints in the $[10, \, 100]$ Hz range. For the axion-proton coupling, we offer the best terrestrial constraints for the frequency ranges $[2 imes 10^{-2}, \, 5]$Hz and $[16, \, 7 imes 10^{2}]$ Hz.

研究动机与目标

• 通过轴子/ALP模型及与核子的非引力耦合来激发对超轻暗物质的搜索。
• 通过在碱金属电子自旋与惰性气体核自旋之间实现强耦合的混合自旋共振来开发宽带探测方法。
• 在不牺牲对来自轴子暗物质的伪磁场灵敏度的前提下实现带宽的提升。
• 在目标频率范围内提供与某些天体物理限定相竞争甚至超越的轴子-核子耦合的实验室约束。

提出的方法

• 在 21Ne-Rb-K 气相腔磁强计中识别并工作于强耦合的混合自旋共振（HSR）方案。
• 利用费米接触相互作用将碱金属电子自旋与惰性气体核自旋混合，从而将惰性气体自旋带宽扩展约三个数量级。
• 使用自我补偿（SC）模式以在低频信号（0.01–10 Hz）下实现对磁噪声影响降低的访问。
• 通过将惰性气体自旋耦合与外部磁场标定相关联来校准对轴子诱导伪磁场的响应。
• 使用非均匀快速傅里叶变换（non-uniform FFTs）与在频域上的似然方法分析数据，该方法考虑随机的 DM 场涨落与 look-elsewhere 效应。
• 在频率范围 0.01–1000 Hz 内，对 axion-neutron 耦合 g_ann 和 axion-proton 耦合 g_app 设置 95% C.L. 上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 强耦合混合自旋系统是否能显著扩大超轻轴子样暗物质信号的可检测带宽？
• RQ2 在 0.01–1000 Hz 康普顿频率范围内，轴子-核子耦合的实验室约束有哪些？
• RQ3 在低频 DM 信号灵敏度方面，SC 操作与 HSR 相比如何？
• RQ4 测得的数据是否显示出任何稳健的 DM 候选信号，以及潜在候选信号如何抗系统误差进行排查？

主要发现

• 展示了使用 HSR 和 SC 区间对 0.01–1000 Hz 的宽带搜索。
• 在 HSR 下 28–32 Hz 区间实现磁场灵敏度为 0.78 fT/√Hz。
• 在 0.02–4 Hz（及更宽范围）内，g_ann 的 95% C.L. 上限降至 ~3×10^-9 GeV^-1，在某些带段接近天体物理上限。
• 为频率低于 100 Hz 的 g_app 提供了最强的地面限制。
• 报告的数据集总时长为 209 h（数据集 1）和 132 h 的 SC 区间数据集（数据集 3），以及用于降噪的地下 4 h 数据集（数据集 2）。
• 在数据集 1 中发现 62 个 DM 候选峰值，在数据集 2 或 SC 数据中未得到证实，因此排除为 DM 信号。
• 实验室上限与 NASDUCK-Floquet 和 NASDUCK-SERF 结果相比具有优势，并讨论了互补上限中的天体物理不确定性。
• 结论认为 HSR/SC 磁强计设置提高了灵敏度，并为对特异的自旋相关力的更广泛搜索铺平了道路。