Constraints on dark photon dark matter using data from LIGO’s and Virgo’s third observing run

Abbott, R. et al. (2022) Constraints on dark photon dark matter using data from LIGO’s and Virgo’s third observing run. Physical Review D, 105(6), 063030. (doi: 10.1103/PhysRevD.105.063030)

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Abstract

We present a search for dark photon dark matter that could couple to gravitational-wave interferometers using data from Advanced LIGO and Virgo's third observing run. To perform this analysis, we use two methods, one based on cross-correlation of the strain channels in the two nearly aligned LIGO detectors, and one that looks for excess power in the strain channels of the LIGO and Virgo detectors. The excess power method optimizes the Fourier Transform coherence time as a function of frequency, to account for the expected signal width due to Doppler modulations. We do not find any evidence of dark photon dark matter with a mass between m_{\rm A} \sim 10^{-14}-10^{-12} eV/c^2, which corresponds to frequencies between 10-2000 Hz, and therefore provide upper limits on the square of the minimum coupling of dark photons to baryons, i.e. U(1)_{\rm B} dark matter. For the cross-correlation method, the best median constraint on the squared coupling is \sim1.31\times10^{-47} at m_{\rm A}\sim4.2\times10^{-13} eV/c^2; for the other analysis, the best constraint is \sim1.2\times10^{-47} at m_{\rm A}\sim5.7\times10^{-13} eV/c^2. These limits improve upon those obtained in direct dark matter detection experiments by a factor of \sim100 for m_{\rm A}\sim [2-4]\times 10^{-13} eV/c^2.

Item Type:Articles
Keywords:Dark matter, gravitational wave detectors.
Status:Published
Refereed:Yes
Glasgow Author(s) Enlighten ID:Grant, Mr Alastair and Spencer, Mr Andrew and Masso Reid, Ms Mariela and Williams, Dr Daniel and Barr, Dr Bryan and Oelker, Dr Eric and Veitch, Dr John and Linley, Mr Jethro and Kinley-Hanlon, Maya Marie Antoinette and Heng, Professor Ik Siong and Dupej, Peter and Briggs, Mr Joseph and Webster, Dr Stephen and Hendry, Professor Martin and Rowan, Professor Sheila and Cunningham, Dr Liam and Gray, Ms Rachel and Steinlechner, Dr Sebastian and Datrier, Ms Laurence and Hough, Professor James and Huttner, Dr Sabina and De Lillo, Nicola and Barton, Dr Mark and Messenger, Dr Christopher and Toland, Mr Karl and Hayes, Mr Fergus and Hammond, Professor Giles and Cummings, Ms Rebecca and Steinlechner, Dr Jessica and Tait, Dr Simon and Scott, Dr Jamie and Martin, Dr Iain and Robertson, Professor Norna and Mukherjee, Dr Arunava and Gabbard, Mr Hunter and Cumming, Dr Alan and Williams, Mr Michael and Woan, Professor Graham and Callaghan, Mr Jack and Bayley, Mr Joseph and Strain, Professor Kenneth and Jones, Mr Russell and Eddolls, Graeme and Haughian, Dr Karen and McGhee, Graeme and Murray, Dr Peter
Authors: Abbott, R., Abbott, T. D., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adhikari, N., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agarwal, D., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Akutsu, T., Albanesi, S., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, C., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Ando, M., Andrade, T., Andres, N., Andrić, T., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antelis, J. M., Antier, S., Appert, S., Arai, K., Arai, K., Arai, Y., Araki, S., Araya, A., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Aritomi, N., Arnaud, N., Aronson, S. M., Arun, K. G., Asada, H., Asali, Y., Ashton, G., Aso, Y., Assiduo, M., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Austin, C., Babak, S., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Badger, C., Bae, S., Bae, Y., Baer, A. M., Bagnasco, S., Bai, Y., Baiotti, L., Baird, J., Bajpai, R., Ball, M., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Balsamo, A., Baltus, G., Banagiri, S., Bankar, D., Barayoga, J. 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Subjects:Q Science > QB Astronomy
Q Science > QC Physics
College/School:College of Science and Engineering > School of Physics and Astronomy
Research Group:Institute for Gravitational Research
Journal Name:Physical Review D
Publisher:American Physical Society
ISSN:2470-0010
ISSN (Online):2470-0029
Published Online:31 March 2022
Copyright Holders:Copyright © 2022 American Physical Society
First Published:First published in Physical Review D 105(6): 063030
Publisher Policy:Reproduced in accordance with the publisher copyright policy
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312546Investigations in Gravitational RadiationSheila RowanScience and Technology Facilities Council (STFC)ST/V005634/1ENG - Electronics & Nanoscale Engineering
309290Advanced LIGO Operations SupportKenneth StrainScience and Technology Facilities Council (STFC)ST/V001019/1P&S - Physics & Astronomy