振荡核电荷半径作为超轻暗物质的探测器

Abhishek Banerjee; Dmitry Budker; Melina Filzinger; Nils Huntemann; Gil Paz; Gilad Perez; Sergey Porsev; Marianna Safronova

doi:10.1103/37vw-gc1r

振荡核电荷半径作为超轻暗物质的探测器

高能物理 - 唯象学 2025-11-25 v3 原子物理

作者: Abhishek Banerjee , Dmitry Budker , Melina Filzinger , Nils Huntemann , Gil Paz , Gilad Perez , Sergey Porsev , Marianna Safronova

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摘要

我们表明,超轻暗物质(UDM)与夸克和胶子的耦合将导致核电荷半径的振荡,这适用于量子色动力学(QCD)轴子和标量暗物质。因此,电子能级的相应振荡可用光学原子钟分辨,且其比对可用于研究此前仅能通过其他平台探及的 UDM-核耦合。我们利用 ${}^{171}Yb^+$ 中的 ${}^2S_{1/2} (F=0)\leftrightarrow {}^2F_{7/2} (F=3)$ 电八极跃迁和 ${}^2S_{1/2} (F=0)\leftrightarrow \,{}^2D_{3/2} (F=2)$ 电四极跃迁演示了这一想法。基于为这两个跃迁推导的灵敏度系数,以及使用单个囚禁 ${}^{171}Yb^+$ 离子对其频率的长期比对,我们得到了标量 UDM-核耦合和 QCD 轴子衰变常数的界限。这些结果与最严格的光谱限制处于相近水平,未来的研究(也包括其他光学钟)有望显著改进。

关键词

超轻暗物质核电荷半径光学原子钟 QCD 轴子标量暗物质灵敏度系数镱离子

引用

@article{arxiv.2301.10784,
  title  = {Oscillating nuclear charge radii as sensors for ultralight dark matter},
  author = {Abhishek Banerjee and Dmitry Budker and Melina Filzinger and Nils Huntemann and Gil Paz and Gilad Perez and Sergey Porsev and Marianna Safronova},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2301.10784},
  year   = {2025}
}

备注

6+3 pages, 2 figures; v2: Major revision of the supplementary material. Updated discussion, result unchanged; v3: matches version accepted by PRL

振荡核电荷半径作为超轻暗物质的探测器

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