New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification

伪标量 轴子 物理 凝聚态物理 旋转 中子 灵敏度(控制系统) 强CP问题 粒子物理学 核物理学 暗物质 夸克 电子工程 工程类
作者
Haowen Su,Min Jiang,Yuanhong Wang,Y. Huang,Xiang Kang,Wei Ji,Xinhua Peng,Dmitry Budker
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:133 (19) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/physrevlett.133.191801
摘要

Axions are highly motivated hypothetical particles beyond the standard model that can be dark matter candidates and address the strong CP problem. Here we search for axion-mediated interactions generated between two separated Xe129 gas ensembles, monitoring and polarizing the Xe129 nuclear spins through spin-exchange interactions with Rb vapor. Our method exploits the magnetic amplification through effective fields from Rb-Xe collisions, increasing the sensitivity for axion-mediated interactions by up to 145-fold relative to conventional methods. Moreover, we employ template filtering to extract exotic interactions with a maximum signal-to-noise ratio. By combining two techniques, axion-mediated interactions are constrained to be less than 10−5 of normal magnetic interactions on a length scale of 60 mm. We establish new constraints on the neutron-neutron pseudoscalar couplings for a mass range that expands into the well-motivated "axion window" (10 μeV–1 meV), improving previous constraints by up to 50-fold within it and 118-fold outside it. We further discuss promising applications in searches for other axion-nucleon interactions, including axion dark matter and black hole axion bursts with sensitivity well beyond astrophysical limits by several orders of magnitude.Received 13 November 2023Revised 6 June 2024Accepted 12 August 2024DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.191801© 2024 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasMagneto-optical spectraNuclear & electron resonanceParticle interactionsPhysical SystemsAtomic gasesAxionsTechniquesNuclear magnetic resonanceOptically detected magnetic resonanceAtomic, Molecular & OpticalGravitation, Cosmology & AstrophysicsParticles & Fields
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