[论文解读] Particle Probes with Superradiant Pulsars

David E. Kaplan, Surjeet Rajendran+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出利用毫秒脉冲星中的旋转超辐射作为探测超轻玻色子的手段，借助其精确测量的自旋频率，对质量低于10^{-11} eV的标量粒子施加约束。研究表明，不存在自旋频率高于约700 Hz的脉冲星，可能暗示存在质量约为10^{-11} eV的新粒子，该结果将第五种力的约束提高了最多三个数量级，并在特定质量范围内排除了具有普朗克尺度衰变常数的QCD轴子。

ABSTRACT

We demonstrate that rotational superradiance can be efficient in millisecond pulsars. Measurements from the two fastest known pulsars PSR J1748-2446ad and PSR B1937+21 can place bounds on bosons with masses below 10^{-11} eV. The bounds are maximally good at masses corresponding to the rotation rate of the star, where scalar interactions that mediate forces ~ 10^6 times weaker than gravity are ruled out, exceeding existing fifth force constraints by 3 orders of magnitude. For certain neutron star equations of state, these measurements would also constrain the QCD axion with masses between 5 10^{-13} and 3 10^{-12} eV. Despite the ability of most neutron star equations of state to support frequencies as high as ~ 1500 Hz, the observed absence of pulsars above ~ 700 Hz could be due to the existence of a new particle of mass ~ 10^{-11} eV with a Yukawa coupling to nucleons.

研究动机与目标

• 探讨毫秒脉冲星是否可通过旋转超辐射作为超轻玻色子的灵敏探测器。
• 改进对弱耦合标量粒子的现有约束，特别是那些作用力弱于引力的粒子。
• 研究观测到的脉冲星自旋频率上限约700 Hz是否可能由新轻粒子的超辐射损耗引起。
• 评估中子星物态方程在支持超辐射不稳定性及约束QCD轴子方面的可行性。

提出的方法

• 使用旋转参考系形式化方法和具有与核子Yukawa耦合的标量场方程，对中子星中的超辐射进行建模。
• 在中子星赤道隆起和椭球度存在的情况下，计算标量模的超辐射增长率和吸收率。
• 利用PSR J1748-2446ad（716 Hz）和PSR B1937+21（642 Hz）的观测自旋频率，对标量耦合施加限制。
• 通过声子耦合和破坏性伴星的影响分析模态稳定性，评估其与吸收模态的混合。
• 将理论约束与现有扭力平衡实验以及QCD轴子质量-耦合关系进行比较。
• 评估中子星物态方程对有效耦合及超辐射阈值的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 毫秒脉冲星中的超辐射是否比当前实验室实验更有效地约束超轻玻色子？
• RQ2 基于已知的脉冲星自旋频率，标量粒子与中子之间可被排除的最大耦合强度是多少？
• RQ3 为何不存在自旋频率高于约700 Hz的脉冲星？这是否可能由于新粒子的超辐射阻尼所致？
• RQ4 在本研究背景下，中子星物态方程在多大程度上影响QCD轴子与核子的有效耦合？
• RQ5 声子混合或伴星破坏等耗散机制如何影响超辐射模态的稳定性？

主要发现

• 毫秒脉冲星中的超辐射可约束质量低于10^{-11} eV的标量粒子，将现有第五种力约束提高最多三个数量级。
• 对于比引力弱10^6倍的标量相互作用，其耦合在对应于脉冲星自旋频率的质量处被排除。
• 观测到的不存在自旋频率高于约700 Hz的脉冲星，可能由质量约为10^{-11} eV、频率约为1500–3000 Hz的新粒子的超辐射阻尼所解释。
• 对于某些中子星物态方程，若θeff ~ 1，则质量在5×10^{-13} eV至3×10^{-12} eV之间的QCD轴子被排除。
• 来自PSR J1748-2446ad和PSR B1937+21的约束在2×10^{-12} eV至6×10^{-12} eV的质量范围内，比扭力平衡实验限制高出2至4个数量级。
• 该方法对由于已知轴对称性和中子星成分导致的模态与吸收通道混合具有鲁棒性，优于基于黑洞的方法。