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高能物理 - 现象学

arXiv:2505.00781 (hep-ph)
[提交于 2025年5月1日 ]

标题: 使用原子重力梯度仪探测暗物质的引力信号

标题: Detecting gravitational signatures of dark matter with atom gradiometers

Authors:Leonardo Badurina, Yufeng Du, Vincent S. H. Lee, Yikun Wang, Kathryn M. Zurek
摘要: 我们研究了从超轻到超重质量范围内提出的长基线原子重力仪中的暗物质纯引力信号。由于它们具有出色的加速度灵敏度,提议的空间实验,如MAGIS-space、AEDGE和AEDGE+,可能会探测到构成局部暗物质能量密度的$\mathcal{O}(10\%)$的暗物质次成分,并且由质量在$10^6$公斤到$10^{10}$公斤($10^{-25}~M_\odot\lesssim M \lesssim 10^{-21}~M_\odot$)之间的紧凑团块组成,在未被探索的暗物质模型空间区域中。 此外,由于引力可观测量依赖于空间分离的原子云测量到的相对引力时间延迟,我们发现原子重力仪相对于激光干涉仪(如LIGO和LISA)来说,对超轻暗物质的能量密度和压力波动引起的快速振荡时空扰动参数上更为敏感。在乐观的情况下,空间实验预计可以探测到质量为$m\lesssim 10^{-17}$eV时暗物质密度比局部暗物质能量密度高出$\mathcal{O}(10)$倍的情况。 因此,我们得出结论,提议的原子重力仪可能能够通过纯粹的引力相互作用来探测暗物质。
摘要: We study the purely gravitational signatures of dark matter from the ultralight to the ultraheavy mass range in proposed long-baseline atom gradiometers. Due to their exceptional acceleration sensitivity, proposed space-based experiments, such as MAGIS-space, AEDGE and AEDGE+, could detect a dark matter subcomponent which constitutes $\mathcal{O}(10\%)$ of the local dark matter energy density and is populated by compact clumps of mass between $10^6$ kg and $10^{10}$ kg ($10^{-25}~M_\odot\lesssim M \lesssim 10^{-21}~M_\odot$), in an otherwise unexplored region of dark matter model space. Furthermore, because the gravitational observable depends on the relative gravitational time delay measured by spatially separated atomic clouds, we find that atom gradiometers are parametrically more sensitive than laser interferometers, such as LIGO and LISA, to fast-oscillating spacetime perturbations sourced by energy density and pressure fluctuations of ultralight dark matter. In optimistic scenarios, space-based experiments are projected to probe a DM overdensity of $\mathcal{O}(10)$ times the local dark matter energy density for masses $m\lesssim 10^{-17}$ eV. We therefore conclude that proposed atom gradiometers may be poised to detect dark matter through purely gravitational interactions.
评论: 包括附录在内的18页
主题: 高能物理 - 现象学 (hep-ph) ; 宇宙学与非星系天体物理学 (astro-ph.CO); 广义相对论与量子宇宙学 (gr-qc)
引用方式: arXiv:2505.00781 [hep-ph]
  (或者 arXiv:2505.00781v1 [hep-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.00781
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: CALT-TH/2025-007, N3AS-24-040

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来自: Leonardo Badurina [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 5 月 1 日 18:19:33 UTC (614 KB)
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