Authors:	Masia Roig, Hector
Advisor:	Budker, Dmitry
Title:	Search for exotic spin couplings with the global network of optical magnetometers for exotic physics searches
Online publication date:	23-Oct-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Die derzeitigen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Teilchen und Wechselwirkungen des Standardmodells nur $4,9\%$ des Energiegehalts im Universum ausmachen. Der größte Beitrag ($68,3\%$) wird der dunklen Energie zugeschrieben, während der Rest ($26,8\%$) der dunklen Materie zugerechnet wird. Diese unsichtbare und nicht identifizierte Materie wurde postuliert, um ansonsten unerklärliche Gravitationseffekte auf galaktischen und größeren Skalen zu erklären. Auch wenn man meinen könnte, dass alles bekannt ist, machen diese Prozentzahlen deutlich, dass es noch viel zu entdecken gibt. Jahrzehntelange Forschung konnte die Beschaffenheit der dunklen Materie noch nicht bestimmen. Dieser nicht schlüssige Befund zwingt die Physik dazu, immer originellere und unkonventionellere Ideen zu entwickeln. Das Globale Netzwerk Optischer Magnetometer für die Suche nach exotischer Physik (GNOME) wurde ins Leben gerufen, um unorthodoxen Szenarien zu untersuchen. GNOME ist ein synchronisiertes Netzwerk global verteilter spinempfindlicher Magnetometer. Mit anderen Worten: ein erdgroßes Observatorium für exotische Physik. Dessen Sensoren beruhen auf Kopplungen mit Elektronen-, Protonen- und/oder Neutronenspins und aufgrund seiner Größe eignet sich das Netzwerk gut für die Suche nach exotischen Feldern mit Orts- und/oder Richtungsabhängigkeit. Axione oder allgemeiner axionähnliche Teilchen (ALPs aus dem englischen axion-like particles) sind leichte bis ultraleichte hypothetische Bosonen, die Beobachtungen der dunklen Materie erklären könnten. Unter bestimmten Annahmen können solche Teilchen verklumpen und Strukturen auf subgalaktischen Skalen bilden. Darüber hinaus umfassen ihre möglichen Wechselwirkungen Kopplungen mit fermionischen Spins. Diese Eigenschaften machen GNOME empfindlich für solche Teilchen. Diese Arbeit widmet sich der Suche nach Signaturen von ALP-Domänenwänden. Das ALP-Feld kann 2-dimensionale topologische Defekte auf subgalaktischen Skalen bilden, die Domänenwände genannt werden. Die Erde könnte auf ihrer Reise durch unsere Galaxie auf solche Strukturen treffen. Im Falle einer Begegnung würde sich ein charakteristisches Muster in das Netzwerk einprägen. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, um solche Muster zu erkennen, ihre Bedeutung zu berechnen und ihre Empfindlichkeit zu bewerten. Um die Fähigkeiten von GNOME zu erweitern, wurde auch untersucht, ob es möglich ist, nach stochastischen Eigenschaften eines axionartigen Teilchenhintergrundfeldes zu suchen. Current evidence indicates that Standard Model particles and interactions constitute just $4.9\%$ of the energy content in the universe. The largest contribution, $68.3\%$, is attributed to dark energy, while the rest, $26.8\%$, is attributed to dark matter. Such an invisible and unidentified matter was postulated to interpret otherwise inexplicable gravitational effects at galactic and larger scales. Even though one could think that everything is known, these percentages emphasize the still huge room for discovery. Decades of research have not yet been able to identify the nature of dark matter. This inconclusive record is pressing the physics community to find increasingly original and unconventional ideas. The Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches (GNOME) surged in an effort to explore unorthodox scenarios. GNOME is a synchronized network of globally distributed spin-sensitive magnetometers. In other words, an Earth-sized observatory for exotic physics. Its sensors rely on couplings to electron, proton, and/or neutron spins, while its size makes the network well-suited to search for exotic fields with spatial and/or directional dependence. Axions or more generally axion-like particles (ALPs) are light to ultralight hypothetical bosons that could explain dark matter observations. Under some assumptions, such particles can clump and form structures at sub-galactic scales. Additionally, their possible interactions include couplings to fermionic spins. These properties make GNOME sensitive to such particles. This thesis is devoted to the search for ALP domain-wall signatures. The ALP field can form 2-dimensional topological defects at sub-galactic scales called domain walls. Earth could encounter such planar structures while traveling through our galaxy. In case of an encounter, a distinctive pattern would be imprinted in the network. An algorithm was developed to identify such patterns, calculate the significance, and evaluate the sensitivity. In an effort to extend the capabilities of GNOME, the possibility of searching for stochastic properties of an axion-like particle background field was also explored.
DDC:	520 Astronomie 520 Astronomy and allied sciences 530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9600
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-ac6cdf66-2211-490e-bd19-ab21acb9904a1
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-SA
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Extent:	XV, 115 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen