Superradiant Interactions of the Cosmic Neutrino Background, Axions, Dark Matter, and Reactor Neutrinos
Notice bibliographique
Résumé
In this paper we do three things. First, we outline the conditions under which the interaction rate of inelastic processes that change the internal state of a system of $N$ targets scales as $N^2$. This is an effect distinct from coherent elastic scattering, but with the same scaling. Second, we compute rates for such processes for various weakly interacting particles. Finally, we point to potential quantum observables for these processes, beyond energy exchange. Maximal coherence in inelastic processes is achieved when the targets are placed in an equal superposition of the ground and excited states. These coherent inelastic processes are analogous to Dicke superradiance, and we thus refer to them as superradiant interactions. We compute the superradiant interaction rates for the Cosmic Neutrino Background (C$ν$B), dark matter scattering and absorption, and late-universe particles, such as reactor neutrinos, when the two-level system is realized by nuclear or electron spins in a magnetic field. The rates can be sizeable on macroscopic yet small targets. For example, the C$ν$B interacts with a rate of $\mathcal{O}(\text{Hz})$ when scattering off a 10~cm liquid or solid-state density spin-polarized sphere, a $\mathcal{O}(10^{21})$ enhancement compared to the incoherent contribution. For QCD axion dark matter, similar rates can be achieved with much smaller samples, $N \sim \mathcal{O}(10^{15})\left(\frac{m}{2\times 10^{-8}~\text{eV}}\right)^{-1/2}$, where $m$ is the axion mass. Using the Lindblad formalism, we show that these superradiant interactions can manifest as a source of noise on the system. This points to new observables, sensitive to the sum of the excitation and de-excitation rates, and can be viewed as introducing diffusion and decoherence to the system. The effects presented in this paper may point to a new class of ultra-low threshold detectors.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».