[论文解读] Searching for GUT-scale QCD Axions and Monopoles with a High Voltage Capacitor

Michael E. Tobar, Andreas Ringwald+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 52被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新颖的高压电容器实验，通过gaEM和gaMM参数，利用电磁耦合探测大统一理论尺度的QCD轴子和磁单极子，为现有仅对gaγγ耦合敏感的轴子搜索提供了互补方法。该方法利用电容器的静态电场，从轴子诱导的极化和磁化中产生可探测的振荡场，从而实现对轴子暗物质与单极子效应的同步探测。

ABSTRACT

The QCD axion has been postulated to exist because it solves the strong-CP problem. Furthermore, if it exists axions should be created in the early Universe and could account for all the observed dark matter. In particular, axion masses of order 10$^{-10}$ eV to 10$^{-7}$ eV correspond to axions in the vicinity of the grand unified theory scale (GUT-scale). In this mass range many experiments have been proposed to search for the axion through the standard QED coupling parameter $g_{aγγ}$. Recently axion electrodynamics has been expanded to include two more coupling parameters, gaEM and gaMM, which could arise if heavy magnetic monopoles exist. In this work we show that both $g_{aMM}$ and $_{gaEM}$ may be searched for using a high-voltage capacitor. Since the experiment is not sensitive to $g_{aγγ}$, it gives a new way to search for effects of heavy monopoles if the GUT-scale axion is shown to exist, or to simultaneously search for both the axion and the monopole at the same time.

研究动机与目标

• 开发一种新的实验方法，探测超越标准gaγγ耦合的大统一理论尺度QCD轴子和磁单极子。
• 填补当前轴子实验的空白，这些实验对由重磁单极子引起的gaEM和gaMM耦合不敏感。
• 证明高压电容器可产生背景电场，以增强对轴子诱导极化（通过gaEM）和磁化（通过gaMM）的探测灵敏度。
• 提供一个兼具轴子暗物质与单极子效应探测功能的双重用途平台，若两者均存在，可实现同步探测。
• 通过在实用实验框架中引入gaEM与gaMM新耦合参数，扩展轴子电动力学。

提出的方法

• 利用高压电容器产生强而稳定的电场（E₀）作为背景，用于探测轴子诱导的场。
• 建立包含gaEM与gaMM耦合的轴子修正麦克斯韦方程组模型，设定⃗B₀ = 0与⃗Je₀ = 0，以隔离电场效应。
• 从轴子相互作用中推导出有效极化⃗P₁ = gaEM a ϵ₀ ⃗E₀与磁化⃗M₁ = −gaMM a c ϵ₀ ⃗E₀。
• 分析由轴子场a(t,⃗r) ≈ √(2ρDM / ma) cos(ma t)诱导的振荡电场与磁场（⃗E₁, ⃗B₁），其振荡频率为轴子质量频率。
• 应用轴子场模型a(t,⃗r) ≈ √(2ρDM / ma) cos(ma t)，其中ρDM ≈ 0.45 GeV/cm³，估算场强振幅。
• 设计实验通过高灵敏度静电计或SQUID读出系统探测这些振荡场，避免对gaγγ的响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压电容器能否用于探测标准轴子驻波腔无法探测的轴子耦合gaEM与gaMM？
• RQ2 基于电容器的装置对GUT尺度质量范围（10−10–10−7 eV）的轴子暗物质具有多高的灵敏度？
• RQ3 轴子诱导的极化与磁化场如何随施加电场强度与耦合参数变化？
• RQ4 该装置能否同时通过gaMM与gaEM探测轴子暗物质与重磁单极子的存在？
• RQ5 在电容器构型中探测轴子诱导场的理论与实验可行性如何？

主要发现

• 电容器装置产生的背景电场E₀使对gaEM与gaMM耦合的探测成为可能，而这些耦合在依赖磁场的标准轴子实验中并不存在。
• 轴子诱导的极化⃗P₁ = gaEM a ϵ₀ ⃗E₀与磁化⃗M₁ = −gaMM a c ϵ₀ ⃗E₀与电场强度成正比，从而增强可探测性。
• 该方法对标准gaγγ耦合不敏感，为轴子与单极子探测提供了独特且互补的通道。
• 理论建模表明，质量为ma ≈ 10−10至10−7 eV的轴子场可在频率ωa ≈ ma下在电容器中诱导出可测量的振荡场。
• 该装置允许同时探测轴子暗物质与单极子效应，为检验大统一理论尺度物理提供了新途径。
• 该方法具有可扩展性，并与现有低噪声探测技术（如SQUID或静电计）兼容，具备实际实施的可行性。