BICEP/Keck XIV: Improved constraints on axionlike polarization oscillations in the cosmic microwave background

被引：16

作者：

Ade, P. A. R. ^{[1
]}

Ahmed, Z. ^{[2
]}

Amiri, M. ^{[3
]}

Barkats, D. ^{[4
]}

Thakur, R. Basu ^{[5
]}

Bischoff, C. A. ^{[6
]}

Beck, D. ^{[2
,7
]}

Bock, J. J. ^{[5
,8
]}

Boenish, H. ^{[4
]}

Bullock, E. ^{[9
]}

Buza, V ^{[10
]}

Cheshire, J. R. ^{[2
,7
,9
]}

Connors, J. ^{[4
]}

Cornelison, J. ^{[4
]}

Crumrine, M. ^{[11
]}

Cukierman, A. ^{[2
,7
]}

Denison, E., V ^{[12
]}

Dierickx, M. ^{[4
]}

Duband, L. ^{[13
]}

Eiben, M. ^{[4
]}

Fatigoni, S. ^{[3
]}

Filippini, J. P. ^{[14
,15
]}

Fliescher, S. ^{[11
]}

Goeckner-Wald, N. ^{[7
]}

Goldfinger, D. C. ^{[4
]}

Grayson, J. ^{[7
]}

Grimes, P. ^{[4
]}

Hall, G. ^{[11
]}

Halal, G. ^{[7
]}

Halpern, M. ^{[3
]}

Hand, E. ^{[6
]}

Harrison, S. ^{[4
]}

Henderson, S. ^{[2
]}

Hildebrandt, S. R. ^{[5
,8
]}

Hilton, G. C. ^{[12
]}

Hubmayr, J. ^{[12
]}

Hui, H. ^{[5
]}

Irwin, K. D. ^{[2
,7
,12
]}

Kang, J. ^{[5
]}

Karkare, K. S. ^{[4
,10
]}

Karpel, E. ^{[7
]}

Kefeli, S. ^{[5
]}

Kernasovskiy, S. A. ^{[7
]}

Kovac, J. M. ^{[4
,16
]}

Kuo, C. L. ^{[2
,7
]}

Lau, K. ^{[11
]}

Leitch, E. M. ^{[10
]}

Lennox, A. ^{[14
]}

Megerian, K. G. ^{[8
]}

Minutolo, L. ^{[5
]}

机构：

[1] Cardiff Univ, Sch Phys & Astron, Cardiff CF24 3AA, Wales

[2] SLAC Natl Accelerator Lab, Kavli Inst Particle Astrophys & Cosmol, 2575 Sand Hill Rd, Menlo Pk, CA 94025 USA

[3] Univ British Columbia, Dept Phys & Astron, Vancouver, BC V6T 1Z1, Canada

[4] Harvard & Smithsonian, Ctr Astrophys, Cambridge, MA 02138 USA

[5] CALTECH, Dept Phys, Pasadena, CA 91125 USA

[6] Univ Cincinnati, Dept Phys, Cincinnati, OH 45221 USA

[7] Stanford Univ, Dept Phys, Stanford, CA 94305 USA

[8] Jet Prop Lab, Pasadena, CA 91109 USA

[9] Univ Minnesota, Minnesota Inst Astrophys, Minneapolis, MN 55455 USA

[10] Univ Chicago, Kavli Inst Cosmol Phys, Chicago, IL 60637 USA

[11] Univ Minnesota, Sch Phys & Astron, Minneapolis, MN 55455 USA

[12] NIST, Boulder, CO 80305 USA

[13] Commissariat Energie Atom, Serv Basses Temp, F-38054 Grenoble, France

[14] Univ Illinois, Dept Phys, Urbana, IL 61801 USA

[15] Univ Illinois, Dept Astron, Urbana, IL 61801 USA

[16] Harvard Univ, Dept Phys, Cambridge, MA 02138 USA

[17] Univ Tokyo, Kavli Inst Phys & Math Universe WPI, UTIAS, Kashiwa, Chiba 2778583, Japan

[18] Aix Marseille Univ, CPPM, CNRS, IN2P3, Marseille, France

[19] Brookhaven Natl Lab, Phys Dept, Upton, NY 11973 USA

[20] Univ Chicago, Enrico Fermi Inst, Dept Phys, Chicago, IL 60637 USA

来源：

PHYSICAL REVIEW D | 2022年 / 105卷 / 02期

基金：

美国国家科学基金会; 加拿大创新基金会;

关键词：

CP CONSERVATION; GRAVITY-WAVES;

D O I：

10.1103/PhysRevD.105.022006

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

We present an improved search for axionlike polarization oscillations in the cosmic microwave background (CMB) with observations from the Keck Array. An all-sky, temporally sinusoidal rotation of CMB polarization, equivalent to a time-variable cosmic birefringence, is an observable manifestation of a local axion field and potentially allows a CMB polarimeter to detect axionlike dark matter directly. We describe improvements to the method presented in previous work, and we demonstrate the updated method with an expanded dataset consisting of the 2012-2015 observing seasons. We set limits on the axion-photon coupling constant for mass m in the range 10(-23)-10(-18) eV, which corresponds to oscillation periods on the order of hours to years. Our results are consistent with the background model. For periods between 1 and 30 d (1.6 x 10(-21) <= m <= 4.8 x 10(-20) eV), the 95%-confidence upper limits on rotation amplitude arc approximately constant with a median of 0.27 degrees, which constrains the axion-photon coupling constant to g(phi gamma )< (4.5 x 10(-12) GeV-1)m/(10(-21) eV), if axionlike particles constitute all of the dark matter. More than half of the collected BICEP dataset has yet to be analyzed, and several current and future CMB polarimetry experiments can apply the methods presented here to achieve comparable or superior constraints. In the coming years, oscillation measurements can achieve the sensitivity to rule out unexplored regions of the axion parameter space.

引用

页数：12

共 44 条

[1]

Abazajian K, 2020, JCAP

[2] A COSMOLOGICAL BOUND ON THE INVISIBLE AXION [J].

ABBOTT, LF ;

SIKIVIE, P .

PHYSICS LETTERS B, 1983, 120 (1-3) :133-136

[3] Improved Constraints on Primordial Gravitational Waves using Planck, WMAP, and BICEP/Keck Observations through the 2018 Observing Season [J].

Ade, P. A. R. ;

Ahmed, Z. ;

Amiri, M. ;

Barkats, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bischoff, C. A. ;

Beck, D. ;

Bock, J. J. ;

Boenish, H. ;

Bullock, E. ;

Buza, V ;

Cheshire, J. R. ;

Connors, J. ;

Cornelison, J. ;

Crumrine, M. ;

Cukierman, A. ;

Denison, E., V ;

Dierickx, M. ;

Duband, L. ;

Eiben, M. ;

Fatigoni, S. ;

Filippini, J. P. ;

Fliescher, S. ;

Goeckner-Wald, N. ;

Goldfinger, D. C. ;

Grayson, J. ;

Grimes, P. ;

Hall, G. ;

Halal, G. ;

Halpern, M. ;

Hand, E. ;

Harrison, S. ;

Henderson, S. ;

Hildebrandt, S. R. ;

Hilton, G. C. ;

Hubmayr, J. ;

Hui, H. ;

Irwin, K. D. ;

Kang, J. ;

Karkare, K. S. ;

Karpel, E. ;

Kefeli, S. ;

Kernasovskiy, S. A. ;

Kovac, J. M. ;

Kuo, C. L. ;

Lau, K. ;

Leitch, E. M. ;

Lennox, A. ;

Megerian, K. G. ;

Minutolo, L. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2021, 127 (15)

[4] BICEP/Keck XII: Constraints on axionlike polarization oscillations in the cosmic microwave background [J].

Ade, P. A. R. ;

Ahmed, Z. ;

Amiri, M. ;

Barkats, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bischoff, C. A. ;

Bock, J. J. ;

Boenish, H. ;

Bullock, E. ;

Buza, V ;

Cheshire, J. R. ;

Connors, J. ;

Cornelison, J. ;

Crumrine, M. ;

Cukierman, A. ;

Dierickx, M. ;

Duband, L. ;

Fatigoni, S. ;

Filippini, J. P. ;

Fliescher, S. ;

Goeckner-Wald, N. ;

Grayson, J. ;

Hall, G. ;

Halpern, M. ;

Harrison, S. ;

Henderson, S. ;

Hildebrandt, S. R. ;

Hilton, G. C. ;

Hubmayr, J. ;

Hui, H. ;

Irwin, K. D. ;

Kang, J. ;

Karkare, K. S. ;

Karpel, E. ;

Keating, B. G. ;

Kefeli, S. ;

Kernasovskiy, S. A. ;

Kovac, J. M. ;

Kuo, C. L. ;

Lau, K. ;

Leitch, E. M. ;

Megerian, K. G. ;

Moncelsi, L. ;

Namikawa, T. ;

Netterfield, C. B. ;

Nguyen, H. T. ;

O'Brient, R. ;

Ogburn, R. W. ;

Palladino, S. ;

Prouve, T. .

PHYSICAL REVIEW D, 2021, 103 (04)

[5] Constraints on Primordial Gravitational Waves Using Planck, WMAP, and New BICEP2/Keck Observations through the 2015 Season [J].

Ade, P. A. R. ;

Ahmed, Z. ;

Aikin, R. W. ;

Alexander, K. D. ;

Barkats, D. ;

Benton, S. J. ;

Bischoff, C. A. ;

Bock, J. J. ;

Bowens-Rubin, R. ;

Brevik, J. A. ;

Buder, I. ;

Bullock, E. ;

Buza, V. ;

Connors, J. ;

Cornelison, J. ;

Crill, B. P. ;

Crumrine, M. ;

Dierickx, M. ;

Duband, L. ;

Dvorkin, C. ;

Filippini, J. P. ;

Fliescher, S. ;

Grayson, J. ;

Hall, G. ;

Halpern, M. ;

Harrison, S. ;

Hildebrandt, S. R. ;

Hilton, G. C. ;

Hui, H. ;

Irwin, K. D. ;

Kang, J. ;

Karkare, K. S. ;

Karpel, E. ;

Kaufman, J. P. ;

Keating, B. G. ;

Kefeli, S. ;

Kernasovskiy, S. A. ;

Kovac, J. M. ;

Kuo, C. L. ;

Larsen, N. A. ;

Lau, K. ;

Leitch, E. M. ;

Lueker, M. ;

Megerian, K. G. ;

Moncelsi, L. ;

Namikawa, T. ;

Netterfield, C. B. ;

Nguyen, H. T. ;

O'Brient, R. ;

Ogburn, R. W. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (22)

[6] ANTENNA-COUPLED TES BOLOMETERS USED IN BICEP2, Keck Array, AND SPIDER [J].

Ade, P. A. R. ;

Aikin, R. W. ;

Amiri, M. ;

Barkats, D. ;

Benton, S. J. ;

Bischoff, C. A. ;

Bock, J. J. ;

Bonetti, J. A. ;

Brevik, J. A. ;

Buder, I. ;

Bullock, E. ;

Chattopadhyay, G. ;

Davis, G. ;

Day, P. K. ;

Dowell, C. D. ;

Duband, L. ;

Filippini, J. P. ;

Fliescher, S. ;

Golwala, S. R. ;

Halpern, M. ;

Hasselfield, M. ;

Hildebrandt, S. R. ;

Hilton, G. C. ;

Hristov, V. ;

Hui, H. ;

Irwin, K. D. ;

Jones, W. C. ;

Karkare, K. S. ;

Kaufman, J. P. ;

Keating, B. G. ;

Kefeli, S. ;

Kernasovskiy, S. A. ;

Kovac, J. M. ;

Kuo, C. L. ;

Leduc, H. G. ;

Leitch, E. M. ;

Llombart, N. ;

Lueker, M. ;

Mason, P. ;

Megerian, K. ;

Moncelsi, L. ;

Netterfield, C. B. ;

Nguyen, H. T. ;

O'Brient, R. ;

Ogburn, R. W. ;

Orlando, A. ;

Pryke, C. ;

Rahlin, A. S. ;

Reintsema, C. D. ;

Richter, S. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2015, 812 (02)

[7] Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data [J].

Ade, P. A. R. ;

Aghanim, N. ;

Ahmed, Z. ;

Aikin, R. W. ;

Alexander, K. D. ;

Arnaud, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barkats, D. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartlett, J. G. ;

Bartolo, N. ;

Battaner, E. ;

Benabed, K. ;

Benoit, A. ;

Benoit-Levy, A. ;

Benton, S. J. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bischoff, C. A. ;

Bock, J. J. ;

Bonaldi, A. ;

Bonavera, L. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Brevik, J. A. ;

Bucher, M. ;

Buder, I. ;

Bullock, E. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Buza, V. ;

Calabrese, E. ;

Cardoso, J. -F. ;

Catalano, A. ;

Challinor, A. ;

Chary, R. -R. ;

Chiang, H. C. ;

Christensen, P. R. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Connors, J. ;

Couchot, F. ;

Coulais, A. ;

Crill, B. P. ;

Curto, A. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2015, 114 (10) :1-17

[8] BICEP2. II. EXPERIMENT AND THREE-YEAR DATA SET [J].

Ade, P. A. R. ;

Aikin, R. W. ;

Amiri, M. ;

Barkats, D. ;

Benton, S. J. ;

Bischoff, C. A. ;

Bock, J. J. ;

Brevik, J. A. ;

Buder, I. ;

Bullock, E. ;

Davis, G. ;

Day, P. K. ;

Dowell, C. D. ;

Duband, L. ;

Filippini, J. P. ;

Fliescher, S. ;

Golwala, S. R. ;

Halpern, M. ;

Hasselfield, M. ;

Hildebrandt, S. R. ;

Hilton, G. C. ;

Irwin, K. D. ;

Karkare, K. S. ;

Kaufman, J. P. ;

Keating, B. G. ;

Kernasovskiy, S. A. ;

Kovac, J. M. ;

Kuo, C. L. ;

Leitch, E. M. ;

Llombart, N. ;

Lueker, M. ;

Netterfield, C. B. ;

Nguyen, H. T. ;

O'Brient, R. ;

Ogburn, R. W. ;

Orlando, A. ;

Pryke, C. ;

Reintsema, C. D. ;

Richter, S. ;

Schwarz, R. ;

Sheehy, C. D. ;

Staniszewski, Z. K. ;

Story, K. T. ;

Sudiwala, R. V. ;

Teply, G. P. ;

Tolan, J. E. ;

Turner, A. D. ;

Vieregg, A. G. ;

Wilson, P. ;

Wong, C. L. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2014, 792 (01)

[9] Planck 2018 results: VI. Cosmological parameters [J].

Aghanim, N. ;

Akrami, Y. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartolo, N. ;

Basak, S. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bock, J. J. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cardoso, J. -F. ;

Carron, J. ;

Challinor, A. ;

Chiang, H. C. ;

Chluba, J. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Contreras, D. ;

Crill, B. P. ;

Cuttaia, F. ;

de Bernardis, P. ;

de Zotti, G. ;

Delabrouille, J. ;

Delouis, J. -M. ;

Di Valentino, E. ;

Diego, J. M. ;

Dore, O. ;

Douspis, M. ;

Ducout, A. ;

Dupac, X. ;

Dusini, S. ;

Efstathiou, G. ;

Elsner, F. ;

Ensslin, T. A. ;

Eriksen, H. K. ;

Fantaye, Y. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2020, 641

[10]

Anastassopoulos V, 2017, NAT PHYS, V13, P584, DOI [10.1038/nphys4109, 10.1038/NPHYS4109]

← 1 2 3 4 5 →