近日，中科院高能所理論物理室任婧副研究員及合作者在利用天文觀(guān)測尋找新物理現象方面提出了新的實(shí)驗方案?；诿}沖星計時(shí)陣列（Pulsar Timing Arrays）已獲得的觀(guān)測數據，他們提出發(fā)展脈沖星極化陣列（Pulsar Polarization Arrays）以增強現有數據探索天體物理學(xué)和基礎物理學(xué)的能力，并以超輕類(lèi)軸子暗物質(zhì)的探測為例論證了脈沖星極化陣列的物理潛力。該成果于3月23日發(fā)表在《物理評論快報》上。
銀河系中存在大量穩定轉動(dòng)的毫秒脈沖星，其脈沖到達時(shí)間可確定到極高精度。脈沖星計時(shí)陣列通過(guò)對數十顆毫秒脈沖星進(jìn)行長(cháng)時(shí)間監測，形成星系尺度的干涉儀，以探測nHz波段的甚低頻引力波。除了作為時(shí)鐘，脈沖星也是典型的線(xiàn)偏振光源。在脈沖星計時(shí)觀(guān)測中，脈沖的極化信息為校準的需要通常也會(huì )被記錄下來(lái)?；谶@些已經(jīng)存在的極化數據，任婧等建議發(fā)展脈沖星極化陣列，以充分利用相應的觀(guān)測資源。與脈沖星計時(shí)陣列類(lèi)似，極化陣列非常適合探測在較大尺度具有時(shí)間和空間關(guān)聯(lián)的信號，通過(guò)特征性關(guān)聯(lián)來(lái)減少噪聲干擾。為論證脈沖星極化陣列的物理潛力，他們以超輕類(lèi)軸子暗物質(zhì)為例進(jìn)行了討論。超輕類(lèi)軸子因為其微小質(zhì)量可形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，是波動(dòng)型暗物質(zhì)的典型候選者。由于類(lèi)軸子與電磁波有破壞宇稱(chēng)的Chern-Simons耦合，脈沖的線(xiàn)性極化角在暗物質(zhì)場(chǎng)中傳播時(shí)會(huì )轉動(dòng)，即發(fā)生宇宙雙折射現象。與隨機引力波信號相比，超輕類(lèi)軸子暗物質(zhì)誘導的雙折射現象具有獨特的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征。在10?27?10?21eV的質(zhì)量范圍，脈沖星極化陣列對超輕類(lèi)軸子暗物質(zhì)Chern-Simons耦合的限制可以達到10?14?10?17GeV?1，與現有觀(guān)測形成了很好的補充。審稿人認為脈沖星極化陣列的提議涵蓋粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)和宇宙學(xué)等不同方面，會(huì )引起廣泛關(guān)注和興趣。
該論文作者（按姓氏排序）為香港科技大學(xué)的劉滔副教授、2021年畢業(yè)的香港科技大學(xué)本科生婁許子祥以及高能所的任婧副研究員。該項工作得到了香港研究資助局 (RGC)的合作研究項目(CRF)和國家自然科學(xué)基金委的支持。
相關(guān)成果鏈接：
《物理評論快報》發(fā)表文章：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.121401
圖：脈沖星極化陣列對超輕類(lèi)軸子暗物質(zhì)耦合常數的預期限制
