地球作为轴子暗物质探测的换能器

我们证明，在地球背景地磁场存在下，与光子耦合的超轻轴子暗物质会诱导出振荡的全球性地面磁场信号。该信号在结构上类似于最近在[arXiv:2106.00022]和[arXiv:2108.08852]中指出并搜寻过的暗光子暗物质信号。它具有由地球地磁场固定的全局矢量模式，在长时间尺度上时间相干，并且频率由轴子质量$m_a$设定。在本工作中，我们既计算了详细的信号模式，又利用SuperMAG合作组织维护的磁强计网络数据对该信号进行了搜寻。我们的分析在轴子质量范围$2\times10^{-18}\text{eV} \lesssim m_a \lesssim 7\times10^{-17}\text{eV}$内未发现轴子暗物质的强证据。假设轴子构成全部暗物质，我们在同一质量范围内对轴子-光子耦合$g_{a\gamma}$施加了限制；在其最强处，对于质量$3\times 10^{-17}\text{eV} \lesssim m_a \lesssim 4\times 10^{-17}\text{eV}$，这些限制可与CAST太阳望远镜所得限制相媲美。