[论文解读] Manifestations of dark matter and variations of fundamental constants in atoms and astrophysical phenomena

Y. V. Stadnik, V. V. Flambaum|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 181被引用 5

一句话总结

本文提出，光子型暗物质（如轴子和标量场）可引致基本常数的线性、时变变化，可通过高精度原子和天体物理测量探测。研究表明，与光子及核子的线性耦合可开启新的实验室与天体物理探测途径，其中镝原子光谱实验对标量暗物质相互作用的约束达到10⁻²⁰ eV⁻⁴量级，优于以往限制数个数量级。

ABSTRACT

We present an overview of recent developments in the detection of light bosonic dark matter, including axion, pseudoscalar axion-like and scalar dark matter, which form either a coherently oscillating classical field or topological defects (solitons). We emphasise new high-precision laboratory and astrophysical measurements, in which the sought effects are linear in the underlying interaction strength between dark matter and ordinary matter, in contrast to traditional detection schemes for dark matter, where the effects are quadratic or higher order in the underlying interaction parameters and are extremely small. New terrestrial experiments include measurements with atomic clocks, spectroscopy, atomic and solid-state magnetometry, torsion pendula, ultracold neutrons, and laser interferometry. New astrophysical observations include pulsar timing, cosmic radiation lensing, Big Bang nucleosynthesis and cosmic microwave background measurements. We also discuss various recently proposed mechanisms for the induction of slow `drifts', oscillating variations and transient-in-time variations of the fundamental constants of Nature by dark matter, which offer a more natural means of producing a cosmological evolution of the fundamental constants compared with traditional dark energy-type theories, which invoke a (nearly) massless underlying field. Thus, measurements of variation of the fundamental constants gives us a new tool in dark matter searches.

研究动机与目标

• 探讨轻玻色子型暗物质如何引致基本常数的线性、时变变化。
• 识别对这些变化敏感的高精度实验室与天体物理解析实验。
• 证明线性耦合相较于传统二次相互作用，提供更优的探测通道。
• 确立原子与固态系统作为直接探测暗物质的有力工具。
• 利用镝原子光谱学与宇宙学数据，为标量暗物质耦合提供新约束。

提出的方法

• 将标量暗物质建模为与标准模型场线性耦合的相干振荡场或拓扑缺陷（孤子）。
• 利用有效场论推导标量暗物质与光子、夸克及规范玻色子之间的线性耦合。
• 应用大爆炸核合成（BBN）、宇宙微波背景（CMB）及恒星能量损失测量结果，对相互作用参数施加约束。
• 分析镝原子光谱学数据，以约束标量暗物质对光子的线性和二次耦合。
• 利用脉冲星计时阵列与激光干涉仪探测经过的暗物质缺陷引起的瞬态变化。
• 评估原子钟、磁力计、扭秤及冷中子实验对线性暗物质相互作用的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量暗物质与光子之间的线性耦合是否可在原子光谱学中产生可测量的基本常数变化？
• RQ2 BBN与CMB测量结果如何限制标量暗物质与光子相互作用的参数空间？
• RQ3 拓扑暗物质缺陷穿越地球是否可引致原子常数或脉冲星计时的可观测变化？
• RQ4 线性耦合对提升直接探测暗物质灵敏度有何意义，相较于传统二次散射模型？
• RQ5 原子钟与镝原子光谱学实验如何设定标量暗物质耦合的新界限？

主要发现

• 镝原子光谱学首次为超轻标量暗物质与光子的线性耦合提供实验室约束，结果为(1.0 ± 2.5) × 10⁻²⁰ eV⁻⁴。
• BBN与CMB测量结果进一步限制参数空间，对早期宇宙标量场的二次耦合约束达到(0.5 ± 1.3) × 10⁻²⁰ eV⁻⁴。
• 标量暗物质与光子的线性相互作用约束为(0.4 ± 1.0) × 10⁻¹¹ eV⁻²，显著优于以往限制。
• 理论模型表明，拓扑缺陷（孤子）可引致基本常数的瞬态、时变变化，可通过脉冲星计时阵列探测。
• 利用原子钟、磁力计、扭秤与干涉仪的实验室实验，预计可将对暗物质相互作用的探测灵敏度提升多个数量级。
• 本文确立线性耦合相较于传统二次散射提供更优的探测路径，为超轻暗物质的直接探测策略注入新活力。