测量暗物质的量子态

我展示了一个简单的例子，说明如何将从超轻玻色子暗物质（DM，如轴子）搜索中获得的时间序列用于确定其处于相干还是非相干量子态。该例子本质上微不足道，但我希望明确讨论它能激发实验上的探索。在标准相干态中，数密度上会发生 $\mathcal{O}(1)$ 量级的振荡，其时间尺度为相干时间 $\tau_c=h/m v^2$，其中 $m$ 为粒子质量，$v$ 为星系维里速度，由于未知的全局相位，这会导致在 $T<\tau_c$ 时间尺度上运行的实验的约束能力降低。另一方面，若 DM 为非相干的，则不会出现如此强的数密度振荡，因为不同流中粒子的系综平均给出了有效的相位平均。若实验探测到信号，则可通过相干时间上的时间序列分析确定 DM 的相干或非相干性质。该发现对 $10^{-17}\text{ eV}\lesssim m\lesssim 10^{-11}\text{ eV}$ 的 DM 质量具有观测意义（对应相干时间在一年到 100 秒之间），并可由包括 CASPEr、DMRadio 和 AION 在内的实验进行探索。在微波波段，相干性也可能在更高质量处可测，但我尚未探讨。