蜷缩于良场 B 之中:利用差分磁力测量探测超轻暗物质

超轻暗物质(如动力学混合暗光子暗物质或类轴子暗物质)可在地球表面产生振荡磁场信号,该信号可由地面磁力计的同步阵列测量。对于低质量情形,当暗物质波长大于地球半径($\lambda_\mathrm{DM}\gg R$)时,超轻暗物质的全局信号可被稳健预测。然而在较高质量下,诸如舒曼共振等环境效应可能变得相关,使得全局磁场信号 $\mathbf B$ 难以可靠建模。本工作中,我们证明 $\nabla\times\mathbf B$ 对全局环境细节具有稳健性,而仅依赖于局域暗物质振幅。因此我们提议测量地球表面磁场的局域旋度,作为探测 $\lambda_\mathrm{DM}\lesssim R$ 超轻暗物质的一种手段。由于该测量需要垂直梯度,它可在山丘/山脉附近进行。我们的测量方案不仅允许稳健预测,还充当针对外部噪声源的本底排斥方案。我们表明,对于频率 $10\,\mathrm{Hz}\leq f_{A'}\leq1\,\mathrm{kHz}$(对应质量 $4\times10^{-14}\,\mathrm{eV}\leq m_{A'}\leq4\times10^{-12}\,\mathrm{eV}$),我们的技术可成为对暗光子暗物质最灵敏的地面探测。在同一频率范围内,它还能达到与CAST太阳望远镜相当的对类轴子暗物质的灵敏度。