Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Searching for Time-Dependent Axion Dark Matter Signals in Pulsars

Published 21 Mar 2023 in astro-ph.CO, astro-ph.HE, gr-qc, and hep-ph | (2303.11792v2)

Abstract: Axion dark matter can be converted into photons in the magnetospheres of neutron stars leading to a spectral line centred on the Compton wavelength of the axion. Due to the rotation of the star and the plasma effects in the magnetosphere the signal is predicted to be periodic with significant time variation - a unique smoking gun for axion dark matter. As a proof of principle and to develop the methodology, we carry out the first time domain search of the signal using data from PSR J2144$-$3933 taken as part of the MeerTIME project on MeerKAT telescope. We search for specific signal templates using a matched filter technique and discuss when a time-domain analysis (as is typically the case in pulsar observations) gives greater sensitivity to the axion-coupling to photons in comparison to a simple time-averaged total flux study. We do not find any candidate signals and, hence, impose an upper limit on the axion-to-photon coupling of $g_{a\gamma\gamma}<4\times 10{-11}\,{\rm GeV}{-1}$ over the mass range $m_{\rm a}=3.9-4.7\,\mu{\rm eV}$ using this data. This limit relies on PSR J2144$-$3933 not being an extremely aligned rotator, as strongly supported by simple arguments based on the observed pulse profile width. We discuss the possibilities of improving this limit using future observations with MeerKAT and also SKA1-mid and the possibility of using other objects. Finally, to evade modelling uncertainties in axion radio signals, we also carry out a generic ``any periodic-signal search" in the data, finding no evidence for an axion signal.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (65)
  1. R. D. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. D 16, 1791 (1977).
  2. J. E. Kim, Physical Review Letters 43, 103 (1979).
  3. A. R. Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. Phys. 31, 260 (1980), [Yad. Fiz.31,497(1980)].
  4. M. Dine and W. Fischler, Physics Letters B 120, 137 (1983).
  5. L. Abbott and P. Sikivie, Physics Letters B 120, 133 (1983).
  6. P. Svrcek and E. Witten, JHEP 06, 051 (2006), arXiv:hep-th/0605206 .
  7. R. L. Davis and E. P. S. Shellard, Nucl. Phys. B 324, 167 (1989).
  8. R. A. Battye and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. Lett. 73, 2954 (1994), [Erratum: Phys.Rev.Lett. 76, 2203–2204 (1996)], arXiv:astro-ph/9403018 .
  9. R. A. Battye and E. P. S. Shellard, ArXiv Astrophysics e-prints  (1999), astro-ph/9909231 .
  10. O. Wantz and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. D 82, 123508 (2010), arXiv:0910.1066 [astro-ph.CO] .
  11. D. J. E. Marsh, Physics Reports 643, 1 (2016), arXiv:1510.07633 .
  12. S. Borsanyi et al., Nature 539, 69 (2016), arXiv:1606.07494 [hep-lat] .
  13. Planck Collaboration VI, ArXiv e-prints  (2018), arXiv:1807.06209 .
  14. P. Sikivie, Phys. Rev. Lett.  51, 1415 (1983).
  15. S. J. Asztalos et al. (ADMX), Phys. Rev. Lett. 104, 041301 (2010), arXiv:0910.5914 [astro-ph.CO] .
  16. N. Du et al. (ADMX Collaboration), Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (2018a).
  17. N. Du et al. (ADMX), Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (2018b), arXiv:1804.05750 [hep-ex] .
  18. T. Braine et al. (ADMX), Phys. Rev. Lett. 124, 101303 (2020), arXiv:1910.08638 [hep-ex] .
  19. C. Bartram et al. (ADMX), Phys. Rev. Lett. 127, 261803 (2021a), arXiv:2110.06096 [hep-ex] .
  20. C. Boutan et al. (ADMX), Phys. Rev. Lett. 121, 261302 (2018), arXiv:1901.00920 [hep-ex] .
  21. C. Bartram et al. (ADMX),   (2021b), arXiv:2110.10262 [hep-ex] .
  22. J. Kim, O. Kwon, C. Kutlu, W. Chung, A. Matlashov, S. Uchaikin, A. F. van Loo, Y. Nakamura, S. Oh, H. Byun, D. Ahn,  and Y. K. Semertzidis, “Near-quantum-noise axion dark matter search at capp,”  (2022).
  23. L. Zhong et al. (HAYSTAC), Phys. Rev. D 97, 092001 (2018), arXiv:1803.03690 [hep-ex] .
  24. K. M. Backes et al. (HAYSTAC), Nature 590, 238 (2021), arXiv:2008.01853 [quant-ph] .
  25. D. Alesini et al., Phys. Rev. D 99, 101101 (2019), arXiv:1903.06547 [physics.ins-det] .
  26. D. Alesini et al., Phys. Rev. D 103, 102004 (2021), arXiv:2012.09498 [hep-ex] .
  27. A. A. Melcón et al. (CAST), JHEP 21, 075 (2020), arXiv:2104.13798 [hep-ex] .
  28. H. Chang et al. (TASEH), Phys. Rev. Lett. 129, 111802 (2022), arXiv:2205.05574 [hep-ex] .
  29. A. J. Millar et al.,   (2022), arXiv:2210.00017 [hep-ph] .
  30. J. Liu et al. (BREAD), Phys. Rev. Lett. 128, 131801 (2022), arXiv:2111.12103 [physics.ins-det] .
  31. S. Beurthey et al.,   (2020), arXiv:2003.10894 [physics.ins-det] .
  32. L. Brouwer et al. (DMRadio),   (2022), arXiv:2204.13781 [hep-ex] .
  33. J. I. McDonald, Phys. Rev. D 105, 083010 (2022), arXiv:2108.13894 [hep-ph] .
  34. M. S. Pshirkov and S. B. Popov, J. Exp. Theor. Phys. 108, 384 (2009), arXiv:0711.1264 [astro-ph] .
  35. M. S. Pshirkov, J. Exp. Theor. Phys. 108, 384 (2009).
  36. P. Goldreich and W. H. Julian, ApJ 157, 869 (1969).
  37. J. Darling, Phys. Rev. Lett. 125, 121103 (2020a), arXiv:2008.01877 [astro-ph.CO] .
  38. J. Darling, Astrophys. J. Lett. 900, L28 (2020b), arXiv:2008.11188 [astro-ph.CO] .
  39. Y.-F. Zhou et al., Phys. Rev. D 106, 083006 (2022), arXiv:2209.09695 [astro-ph.CO] .
  40. G. Raffelt and L. Stodolsky, Phys. Rev. D37, 1237 (1988).
  41. E. Hardy and N. Song,   (2022), arXiv:2212.09756 [hep-ph] .
  42. J. Darling, Phys. Rev. Lett.  125, 121103 (2020a), arXiv:2008.01877 [astro-ph.CO] .
  43. J. Darling, The Astrophysical Journal Letters 900, L28 (2020b), arXiv:2008.11188 [astro-ph.CO] .
  44. P. Carenza and M. C. D. Marsh,   (2023), arXiv:2302.02700 [hep-ph] .
  45. J. McDonald and S. Witte, ‘‘In prepartion,” .
  46. M. Gedalin and D. B. Melrose, Phys. Rev. E 64, 027401 (2001).
  47. C. Thompson and R. C. Duncan, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 275, 255 (1995).
  48. C. Thompson and R. C. Duncan, Astrophys. J.  561, 980 (2001), arXiv:astro-ph/0110675 [astro-ph] .
  49. T. Mondal, The Astrophysical Journal Letters 913, L12 (2021).
  50. J. A. Pons and R. Perna, The Astrophysical Journal 741, 123 (2011).
  51. S. Yamasaki and T. Totani, Astrophys. J.  888, 105 (2020), arXiv:1909.00849 [astro-ph.HE] .
  52. J. M. Cordes and T. J. W. Lazio, arXiv e-prints , astro-ph/0301598 (2003), arXiv:astro-ph/0301598 [astro-ph] .
  53. D. P. Finkbeiner, The Astrophysical Journal Supplementary Series 146, 407 (2003), arXiv:astro-ph/0301558 [astro-ph] .
  54. J. M. Cordes and T. J. W. Lazio, arXiv e-prints , astro-ph/0207156 (2002), arXiv:astro-ph/0207156 [astro-ph] .
  55. R. Meyer and N. Christensen, Significance 13, 20 (2016), https://rss.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/j.1740-9713.2016.00896.x .
  56. B. Allen, Phys. Rev. D 71, 062001 (2005), arXiv:gr-qc/0405045 .
  57. D. R. Lorimer and M. Kramer, Handbook of Pulsar Astronomy (2012).
  58. S. Johnston and A. Karastergiou, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 485, 640 (2019), arXiv:1902.03996 [astro-ph.HE] .
  59. P. Weltevrede and S. Johnston, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 391, 1210 (2008), https://academic.oup.com/mnras/article-pdf/391/3/1210/17319973/mnras391-1210.pdf .
  60. V. Radhakrishnan and D. J. Cooke, Astrophysical Letters 3, 225 (1969).
  61. R. Yuen and D. B. Melrose, Publications of the Astronomical Society of Australia 31, e039 (2014).
  62. J. Dyks and M. Pierbattista, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 454, 2216 (2015), arXiv:1507.08454 [astro-ph.HE] .
  63. J. M. Cordes, Astrophys. J.  222, 1006 (1978).
  64. B. M. Brubaker and et al., Phys. Rev. Lett. 118, 061302 (2017).
  65. F. V. Day and J. I. McDonald, JCAP 10, 051 (2019), arXiv:1904.08341 [hep-ph] .
Citations (17)

Summary

Paper to Video (Beta)

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.