論文の概要: Constraining Ultralight Dark Matter through an Accelerated Resonant
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- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.16600v1
- Date: Thu, 28 Sep 2023 17:03:26 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-09-29 13:17:50.802527
- Title: Constraining Ultralight Dark Matter through an Accelerated Resonant
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- Title（参考訳）: 加速共振探索による超軽量ダークマターの制約
- Authors: Zitong Xu, Xiaolin Ma, Kai Wei, Yuxuan He, Xing Heng, Xiaofei Huang,
Tengyu Ai, Jian Liao, Wei Ji, Jia Liu, Xiao-Ping Wang, Dmitry Budker
- Abstract要約: 核磁気共鳴モードで動作する磁気センサを用いて,超軽量軸索ダークマターの核子結合について検討した。
超高感度の0.73 fT/Hz$1/2$を約5Hzで達成し、約1.5$times 10-23,rmeV/Hz1/2$のエネルギー分解能に対応する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 14.582263236776992
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Experiments aimed at detecting ultralight dark matter typically rely on
resonant effects, which are sensitive to the dark matter mass that matches the
resonance frequency. In this study, we investigate the nucleon couplings of
ultralight axion dark matter using a magnetometer operating in a nuclear
magnetic resonance (NMR) mode. Our approach involves the use of a $^{21}$Ne
spin-based sensor, which features the lowest nuclear magnetic moment among
noble-gas spins. This configuration allows us to achieve an ultrahigh
sensitivity of 0.73 fT/Hz$^{1/2}$ at around 5 Hz, corresponding to energy
resolution of approximately 1.5$\times
10^{-23}\,\rm{eV/Hz^{1/2}}$. Our analysis reveals that under certain
conditions it is beneficial to scan the frequency with steps significantly
larger than the resonance width. The analytical results are in agreement with
experimental data and the scan strategy is potentially applicable to other
resonant searches. Further, our study establishes stringent constraints on
axion-like particles (ALP) in the 4.5--15.5 Hz Compton-frequency range coupling
to neutrons and protons, improving on prior work by several-fold. Within a band
around 4.6--6.6 Hz and around 7.5 Hz, our laboratory findings surpass
astrophysical limits derived from neutron-star cooling. Hence, we demonstrate
an accelerated resonance search for ultralight dark matter, achieving an
approximately 30-fold increase in scanning step while maintaining competitive
sensitivity.
- Abstract（参考訳）: 超軽量ダークマターの検出を目的とした実験は、共鳴周波数にマッチするダークマター質量に敏感な共鳴効果に依存する。
本研究では,核磁気共鳴(NMR)モードで動作する磁気センサを用いて,超軽量のアクシオンダークマターの核子結合について検討した。
我々のアプローチは、貴ガススピンの中で最低の核磁気モーメントを特徴とする、$^{21}$Neスピンベースのセンサーの使用である。
この構成により、およそ1.5$\times 10^{-23}\,\rm{eV/Hz^{1/2}}$.73 fT/Hz$^{1/2}$の超高感度を約5Hzで達成できる。
解析の結果,特定の条件下では共鳴幅よりもかなり大きいステップで周波数を走査することが有用であることがわかった。
解析結果は実験データと一致しており、スキャン戦略は他の共鳴探索にも適用可能である。
さらに, 中性子と陽子に結合する4.5～15.5Hzのコンプトン周波数範囲において, アクチオン様粒子(ALP)に強い制約を課し, 先行処理を複数倍に改善する。
約4.6～6.6Hz、約7.5Hzの範囲内では、中性子星冷却による天体物理学的限界を超えている。
そこで,超薄暗黒物質に対する加速共鳴探索を行い,競合感度を維持しながら約30倍の走査ステップを実現した。
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