[论文解读] Search for axionlike dark matter with nuclear spins in a single-component liquid

Teng Wu, John W. Blanchard+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用乙腈-2-$^{13}$C单组分液体中的核磁共振（NMR），通过核自旋的耦合探测轴子样暗物质。通过采用$^{13}$C与$^{1}$H的双核共磁力计技术，对轴子质量在$10^{-22}$ eV至$1.3 imes 10^{-17}$ eV之间的轴子样暗物质，将实验室限制提升至$g_{aNN} < 6 imes 10^{-5}$ GeV$^{-1}$（95%置信水平），在低于$10^{-21}$ eV的范围内优于以往约束。

ABSTRACT

We report the results of a search for axionlike dark matter using nuclear magnetic resonance (NMR) techniques. This search is part of the multi-faceted Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr) program. In order to distinguish axionlike dark matter from magnetic fields, we employ a comagnetometry scheme measuring ultralow-field NMR signals involving two different nuclei ($^{13}$C and $^{1}$H) in a liquid-state sample of acetonitrile-2-$^{13}$C ($^{13}$CH$_{3}$CN). No axionlike dark matter signal was detected above background. This result constrains the parameter space describing the coupling of the gradient of the axionlike dark matter field to nucleons to be $g_{aNN}<6 imes 10^{-5}$ GeV$^{-1}$ (95$\%$ confidence level) for particle masses ranging from $10^{-22}$ eV to $1.3 imes10^{-17}$ eV, improving over previous laboratory limits for masses below $10^{-21}$ eV. The result also constrains the coupling of nuclear spins to the gradient of the square of the axionlike dark matter field, improving over astrophysical limits by orders of magnitude over the entire range of particle masses probed.

研究动机与目标

• 通过液态NMR系统中核自旋进动探测轴子样暗物质。
• 利用双核共磁力计技术区分轴子样暗物质信号与环境磁场。
• 改进轴子样粒子与核子耦合常数的实验室约束。
• 探测核自旋与轴子场平方梯度的耦合，超越天体物理限制。

提出的方法

• 在乙腈-2-$^{13}$C单组分液体样品中使用超低场核磁共振（NMR）。
• 采用$^{13}$C与$^{1}$H核的共磁力计技术以消除共模磁场噪声。
• 测量核自旋的进动频率以探测与轴子样暗物质场的耦合。
• 通过自旋进动偏移分析轴子场的梯度及其与核磁矩的耦合。
• 应用统计分析在95%置信水平下设定耦合常数的上限。
• 利用液态系统实现长相干时间，提升对弱相互作用的高灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过液态NMR实验中核自旋的耦合探测轴子样暗物质？
• RQ2 如何利用两种不同核的共磁力计技术抑制磁场噪声并隔离轴子样暗物质信号？
• RQ3 低质量轴子样粒子的轴子-核子耦合常数$g_{aNN}$的改进实验室限制是什么？
• RQ4 核自旋进动在多大程度上能约束轴子场平方梯度与核子的耦合？
• RQ5 这些实验室结果与整个探测质量范围内天体物理约束相比如何？

主要发现

• 未检测到高于背景的轴子样暗物质信号，与搜索的零结果一致。
• 本研究在轴子质量介于$10^{-22}$ eV至$1.3 imes 10^{-17}$ eV之间，将$g_{aNN}$的实验室上限设定为$g_{aNN} < 6 \times 10^{-5}$ GeV$^{-1}$（95%置信水平）。
• 该限制优于以往对低于$10^{-21}$ eV轴子质量的实验室约束。
• 与天体物理限制相比，本研究在全部探测质量范围内对核自旋与轴子场平方梯度的耦合实现了更高的灵敏度约束。
• 共磁力计技术成功抑制了磁场噪声，实现了对弱轴子样相互作用的高灵敏度探测。
• 结果证明了液态NMR在受控实验室环境中探测低质量轴子样暗物质的可行性。