[论文解读] NASDUCK: New Constraints on Axion-like Dark Matter from Floquet Quantum Detector

Itay M. Bloch, Gil Ronen+4 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究首次利用基于自旋极化的氙-129的弗洛quet量子探测器，对轴子样态粒子（ALP）暗物质施加了实验约束。通过使用精密铷弗洛quet磁力计探测由超轻ALP引起的相干振荡能量位移，NASDUCK合作组将地面上对ALP-中子耦合的约束提高了最多1000倍，质量范围为4×10⁻¹⁵–4×10⁻¹² eV/c²，同时设定了对ALP-核子二次耦合的新限制。

ABSTRACT

We report on the first results of the Noble and Alkali Spin Detectors for Ultralight Coherent darK matter (NASDUCK) collaboration. We search for the interactions of Axion-Like Particles (ALPs) with atomic spins using an earth-based precision quantum detector as it traverses through the galactic dark matter halo. The detector is composed of spin-polarized xenon gas which can coherently interact with a background ALP dark matter field and an in-situ rubidium Floquet optical-magnetometer. Conducting a five months-long search, we derive new constraints on ALP-proton and ALP-neutron interactions in the $4 imes 10^{-15}-4 imes 10^{-12}{~ m eV/c^2}$ mass range. Our limits on the ALP-proton (ALP-neutron) couplings improve upon previous terrestrial bounds by up to 3 orders of magnitude for masses above $4 imes 10^{-14}{~ m eV/c^2}$ ($4 imes 10^{-13}{~ m eV/c^2}$). Moreover, barring the uncertain supernova constraints, the ALP-proton bound improves on all existing terrestrial and astrophysical limits, partially closing the unexplored region for couplings in the range $10^{-6}~{ m GeV^{-1}}$ to $2 imes 10^{-5}~{ m GeV^{-1}}$. Finally, we also cast bounds on pseudo-scalar dark matter models in which dark matter is quadratically-coupled to the nucleons.

研究动机与目标

• 利用精密量子探测器搜索轴子样态粒子（ALP）与核自旋之间的非引力相互作用。
• 通过采用弗洛quet工程技术，克服传统原位磁力计在探测更高质量ALP时的局限性。
• 在超轻质量范围（4×10⁻¹⁵–4×10⁻¹² eV/c²）内，改进地面上对ALP-中子和ALP-质子耦合的约束。
• 对具有与核子二次耦合的赝标量暗物质模型施加约束。
• 评估质子分数在¹²⁹Xe核自旋中理论不确定性对模型相关约束的影响。

提出的方法

• 利用高密度自旋极化的¹²⁹Xe原子系综作为超轻ALP暗物质的相干探测器。
• 使用原位精密铷弗洛quet磁力计测量由ALP诱导的异常磁场引起的振荡能量位移。
• 应用时间周期性（弗洛quet）驱动场，以工程化有效自旋响应，增强对高频ALP场的灵敏度。
• 开展为期5个月的连续测量实验，以探测ALP与核自旋之间的相干相互作用。
• 使用排除相关频率下光子散粒噪声的噪声模型分析数据，重点关注主导磁噪声。
• 基于95%置信水平的统计框架推导ALP耦合的约束，模型相关结果基于不同核结构模型的变体。

实验结果

研究问题

• RQ1 弗洛quet工程化的量子探测器能否显著扩展探测超轻轴子样态暗物质的质量范围？
• RQ2 与以往地基实验相比，使用自旋极化的氙-129和铷弗洛quet磁力计在探测ALP-中子相互作用方面能将灵敏度提升多少？
• RQ3 ¹²⁹Xe核自旋中质子分数的不确定性在多大程度上影响ALP-质子耦合模型相关约束的可靠性？
• RQ4 对ALP与核子之间二次耦合相互作用的约束是什么？与现有天体物理和地基限制相比如何？
• RQ5 在长期量子探测实验中，通过改进控制测量和数据质量筛选，能否有效缓解瞬态噪声和测量伪影？

主要发现

• NASDUCK合作组首次利用弗洛quet量子探测器，在质量范围4×10⁻¹⁵–4×10⁻¹² eV/c²内对轴子样态粒子（ALP）与中子的相互作用设定了地基约束。
• 对于质量高于4×10⁻¹³ eV/c²的ALP-中子耦合，本实验将先前的地基约束提高了最多1000倍。
• 对ALP-核子二次耦合设定了新约束，在质量介于2×10⁻¹⁴至7×10⁻¹³ eV/c²之间的所有现有约束均被超越。
• 基于四种不同的核结构模型，推导出ALP-质子耦合的模型相关约束，对应的质子分数ϵP范围为−0.0308至0.020。
• ALP-质子耦合与二次耦合的约束对¹²⁹Xe中质子分数的理论不确定性敏感，结果目前标记为暂定，有待更精确的核模型支持。
• 本研究证明了基于弗洛quet的量子探测器在相干暗物质探测中的可行性与增强灵敏度，为未来实验开辟了新路径。