[论文解读] Oscillations of atomic energy levels induced by QCD axion dark matter

Hyungjin Kim, Gilad Pérez|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，QCD轴子暗物质通过轴子-胶子相互作用，在原子能级中诱导出微小的周期性振荡，这些振荡可通过高精度原子光谱学进行探测。研究表明，当前及未来的实验——尤其是原子钟和核钟——对轴子-胶子耦合的约束灵敏度可与现有中子电偶极矩和超新星冷却的约束相媲美，甚至更优。

ABSTRACT

Axion-gluon interaction induces quadratic couplings between the axion and the matter fields. We find that, if the axion is an ultralight dark matter field, it induces small oscillations of the mass of the hadrons as well as other nuclear quantities. As a result, atomic energy levels oscillate. We use currently available atomic spectroscopy data to constrain such axion-gluon coupling. We also project the sensitivities of future experiments, such as ones using molecular and nuclear clock transitions. We show that current and near-future experiments constrain a finely-tuned parameter space of axion models. These can compete or dominate the already-existing constraints from oscillating neutron electric dipole moment and supernova bound, in addition to those expected from near future magnetometer-based experiments.

研究动机与目标

• 探究轴子-胶子耦合是否会在原子能级中诱导可测量的振荡。
• 利用现有的原子光谱学数据推导轴子-胶子耦合的约束。
• 预测未来实验（包括分子钟和核钟）对探测该耦合的灵敏度。
• 将这些约束与现有来自中子电偶极矩、超新星冷却以及磁力计探测的约束进行比较。
• 评估加速度计和干涉仪在探测此类基本常数时间变化方面的潜在探测能力。

提出的方法

• 使用轴子-胶子相互作用的拉格朗日量 L ∝ (g²s / 32π²) (a/f) Gμν G̃μν 来建模对强子态的耦合。
• 在 O(p³) 阶应用有效理论处理，计算质子的 g 因子和质量对π介子质量的依赖关系。
• 推导氢原子超精细跃迁的相对频率漂移：δfH/fH ≈ 10⁻¹⁵ × cos(2mt) / (m₁₅² f₁₀)，其中 m₁₅ = m/10⁻¹⁵ eV 且 f₁₀ = f/10¹⁰ GeV。
• 使用轴子暗物质密度 ρDM ≈ 0.4 GeV/cm³，并假设振荡形式 θ²(t) ∝ [1 + cos(2mt)]。
• 将预测的振荡与氢-硅频率比对实验及其他光谱学实验的数据进行比较。
• 利用核钟和分子钟跃迁（包括 ²²⁹Th 同质异能态和 SrOH 系统）预测未来灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子-胶子耦合是否会在原子能级中诱导可测量的振荡？
• RQ2 当前实验对轴子-胶子耦合的约束水平如何，基于原子光谱学数据？
• RQ3 未来原子钟和核钟实验如何提升对这一耦合的探测灵敏度？
• RQ4 这些约束与来自中子电偶极矩和超新星冷却的现有约束相比如何？
• RQ5 加速度计和干涉仪在探测轴子诱导的基本常数变化方面具有多大的潜在探测能力？

主要发现

• 当前的原子光谱学实验，尤其是氢-硅频率比对实验，对轴子-胶子耦合的约束达到 f ≲ 10¹⁰ GeV 的水平，适用于 m ≲ 10⁻¹⁵ eV 的质量范围。
• 未来的核钟和分子钟（如 ²²⁹Th 同质异能态和 SrOH 跃迁）可将灵敏度提高数个数量级，对 m ∼ 10⁻¹⁵ eV 的质量范围，可达到 f ∼ 10¹² GeV 的灵敏度。
• 原子钟的预测约束可与现有来自振荡中子电偶极矩和超新星 1987A 冷却的约束相媲美，甚至更优。
• 该方法通过其诱导的强子质量与磁矩的时间变化，进而调制原子跃迁频率，从而对轴子-胶子耦合保持敏感。
• 分析表明，光谱学技术可探测轴子模型中一个精细调谐的参数空间，尤其在 QCD 轴子的背景下。
• 加速度计和干涉仪被证明具有潜在探测能力，尽管其当前灵敏度仍低于原子钟。