UPLOAD-HELIX: High-Helicity Single-Mode Microwave Haloscope with Low-Noise Interferometric Readout for Ultralight Axion Dark Matter
The University of Western Australia（西澳大学）；Thomas Jefferson National Accelerator Facility（托马斯·杰斐逊国家加速器设施）；University of Birmingham（伯明翰大学）；Selçuk University（塞尔丘克大学）
本研究基于超导铌的逆设计框架优化螺旋腔谐振器，开发出高灵敏度AM噪声检测的扭曲任意子腔，其品质因数较基准提升三个数量级，三个月采集时间可在超轻轴子质量范围实现超当前CAST限一个量级的探测灵敏度。
2026-09-11 physics.ins-det
Superconducting Microwave Detector Technology for Ultra-Light Dark Matter Haloscopes and other Fundamental Physics Experiments: Background Theory (Part I)
本文探讨了超导微波探测器技术在腔轴子晕镜等基础物理实验读出中的应用，推导了色散光谱仪和零差接收机两种方案的灵敏度，指出零差方案有望近期实现近量子噪声限制接收机，而色散光谱仪有望突破量子噪声极限但需进一步技术开发。
2024-03-20 hep-ex physics.ins-det
Avoided mode crossings in cylindrical microwave cavities
轴子晕圈探测器需要具有可调谐TM $_{010}$模式的高$Q$腔，其谐振电场占据尽可能多的腔的全部体积.为了更好地理解模式结构，对微波谐振腔内纵向对称破缺效应进行了分析研究。研究表明，腔体的纵向对称性破缺是圆柱形微波腔避免模式交叉（AMC）的机制。结果表明，在搜索频谱的差距的大小，由于AMC是大致成比例的大小对称性破缺的小扰动。
2019-11-09 physics.ins-det
Dielectric-Boosted Sensitivity to Cylindrical Azimuthally Varying Transverse-Magnetic Resonant Modes in an Axion Haloscope
轴子是一种流行的暗物质候选者，经常在称为“Haloscopes”的实验中搜索，该实验利用假定的轴子-光子耦合。这些实验通常依赖于谐振腔中的横磁（TM）模式来捕获和检测经由轴子转换产生的光子。我们提出了一个谐振腔设计的应用在haloscope搜索的研究，特别是在推动更高质量的轴子搜索（以上$\sim$ 60 $\,μ$ eV）使用。特别地，我们利用方位角变化的TM $_{m10}$模式，其虽然通常由于场不均匀性而对轴子不敏感，但可以通过介电楔的策略性放置而使其成为轴子敏感的（并且频率可调的），成为一种被称为介电增强轴子灵敏度（DBAS）谐振器的谐振器。有限元建模的结果，并与一个简单的概念验证实验。结果表明，这些DBAS谐振器的轴子灵敏度显着增加，在他们的空腔对应物，和高潜力的应用程序在高质量轴子搜索时，对更简单，更传统的设计依赖于基本TM模式的基准。
2020-11-09 physics.ins-det
Spectral shaping of Gaussian white noise for synthetic axion signal generation in microwave cavity haloscopes
Dipartimento di Fisica e Astronomia（物理与天文系）；INFN, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro（意大利国家核物理研究所莱尼亚罗实验室）
本文提出一种在频域整形高斯白噪声生成随机合成轴子波形的方法，用于微波腔卤oscope的端到端校准和盲注入研究，可灵活适应标准晕模型及非标准速度分布。
2026-09-25 hep-ph physics.ins-det
Methods and restrictions to increase the volume of resonant rectangular-section haloscopes for detecting dark matter axions
本研究探讨了矩形截面haloscope的设计技术，通过单腔和多腔的长高结构及1D/2D/3D几何优化，显著增大了探测器体积，实验验证了其在暗物质axion搜索中的可行性与巨大改进潜力。
2023-02-24 hep-ex physics.ins-det
Engineering of Form Factor in Rotationally Symmetric Photonic Cavities for Faster Axion Searches
形状因子可以在光子腔中设计，使得其显著地增加轴子晕圈检测器的扫描速度。利用光子腔的高阶模，我们可以探测更大质量范围内的轴子，这超出了依赖于传统铜腔的现有探测器的范围。主要思想是产生具有纵向场分布的高阶模，该高阶模具有远离腔轴和腔壁的相对高的振幅，使得其导致相对大的形状因子并保持高品质因数。探测器扫描速度显著增加，因为它与形状因子的平方乘以品质因数成比例。
2022-01-20 physics.ins-det
Direct calibration of microwave amplification chain on an axion cavity haloscope
针对轴子谐振仪中传统Y因子校准法因探测线与校准线传输特性不同导致不准确的问题，提出一种无需开关的微波放大链直接校准方法，通过控制与输入噪声源解耦的腔体温度改变谐振频率附近的噪声谱，实验证明可直接利用变温腔体辐射校准放大链增益。
2024-12-25 physics.app-ph physics.ins-det
Noise temperature measurements for axion haloscope experiments at IBS/CAPP
轴子最初是作为Peccei-Quinn机制的结果引入的，用于解决粒子物理学中强相互作用中的CP问题，并且是一个很好的冷暗物质候选者。这种粒子预计与物质的相互作用非常弱，预计其质量在$μ$ eV范围内，相应的频率大致在GHz范围内。1983年，P. Sikivie提出了一种探测方案，即所谓的轴子晕镜，其中轴子在强磁场渗透的可调谐微波腔中共振转换为光子。实验噪声的一个主要来源是RF放大器的附加噪声，因此准确理解放大器的噪声是很重要的。本文给出了广泛用于轴子暗物质研究的各种低噪声放大器的噪声温度测量结果。
2020-12-05 physics.ins-det
Low Frequency (100-600 MHz) Searches with Axion Cavity Haloscopes
本研究针对轴子暗物质实验已覆盖质量以下的更低质量区间，通过数值模拟优化凹入式与介质加载腔的参数，制作原型验证模拟结果，并估算了其在现有及在建大型磁体中的轴子暗物质搜寻灵敏度。
2023-03-28 hep-ex hep-ph physics.ins-det
Axion Haloscopes with Toroidal Geometry at CAPP/IBS
现有的轴子晕圈镜在螺线管场中采用圆柱形谐振腔。我们，韩国基础科学研究所（IBS）的轴子和精密物理研究中心（CAPP），也在利用这种圆柱形几何形状进行晕轴子的发现。然而，端盖的腔的存在增加了挑战，因为我们探索更高的频率区域的轴子在2 GHz以上。为了克服这些挑战，我们采用了环形设计的腔和磁场。环形几何结构提供了几个优点，其中两个是对于给定的空间更大的体积和大大减少干扰我们的量子点的边缘场，特别是计划中的基于量子的设备。我们介绍了环形轴子haloscopes的概念，目前正在进行的研究活动和计划在CAPP/IBS。
2016-09-13 hep-ex physics.ins-det
Development of axion haloscopes for high-mass search at CAPP
CAPP提出了多种基于新腔体概念的高质量轴子搜索晕镜设计，通过分割腔体、利用高阶模式及介电光子晶体结构实现高频下的大体积和高品质因子，并改进抛物面天线方案以适用于太赫兹区域的宽带搜索。
2024-02-06 physics.ins-det
Split-cavity tuning of a rectangular axion haloscope operating around 8.4 GHz
本文提出一种在约8.4 GHz下通过沿腔体几何结构引入间隙的纯机械方式调谐轴子晕轮镜的新技术，实验证明其在室温和低温下均能实现有效调谐且品质因子降低不到20%。
2025-03-04 hep-ex physics.ins-det
Large-Volume Centimeter-Wave Cavities for Axion Searches
轴子晕镜的扫描速率与腔体积的平方成正比。本文提出了一类新的薄壳腔来寻找轴子暗物质。这些腔的特征是有效体积比传统的圆柱形晕圈镜大得多（> 20倍），具有相当的品质因数Q和类似的频率调谐范围。全三维数值有限元分析表明，TM_010本征模在整个腔体中是单极化的，并且在超导螺线管产生的均匀磁场中有利于轴光子转换。为了减轻由于局部化引起的杂散模式拥挤和体积损失，将使用前置放大二进制求和网络进行耦合。由于良好的频率标度，新腔最适合于厘米波长（~ 10-100 GHz），对应于有希望的后膨胀轴子产生窗口。在这个频率范围内，高Q薄壳腔所需的严格的加工公差是可以实现的近红外镜的标准加工技术。
2020-05-12 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Rydberg-atom-based single-photon detection for haloscope axion searches
Yale University（耶鲁大学）；The Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
提出一种基于里德伯原子的单光子探测器，用于暗物质射电镜实验在40 μeV至200 μeV（10 GHz至50 GHz）频率范围内的信号读出，可避免量子测量噪声，扫描速率提升达10^4倍，并兼容多种射电镜腔体。
2023-11-10 hep-ex physics.atom-ph physics.ins-det
Symmetrically Tuned Large-Volume Conic Shell-Cavities for Axion Searches
在早期的论文中，提出了一类新的薄壳腔，以避免传统轴子haloscope的陡峭频率标度。在这项后续工作中，我们看到，一个广义的圆锥几何形状，使这些大体积厘米波腔强大的频率调谐。圆锥壳腔的频率限定尺寸在调谐期间对称且均匀地改变，从而保持到外部螺线管场的高轴子耦合效率（形状因子）。它进一步表明，这种可调的几何形状不限于圆锥。本文提出了一种适用于任意体积填充圆锥壳型腔的通用公式，并对所建立的数值模型给出了直接解。最大的实现设计是一个曲折的“大脑”腔，可在20%的频率范围内调谐。该腔的扫描速率比当前一代实验中使用的缩放圆柱形腔的扫描速率大三个数量级。扫描速率如此大的改善的前景应该激励制造和其他实现技术的研发工作。如果能够满足这些工程挑战，基于腔的轴子Haloscope可以在高于几GHz的频率上保持竞争力。我们提出了一个实验配置在20 GHz（~ 80 $μ$ eV）使用一个阵列的脑腔，并将其与其他建议类似的频率。
2020-12-10 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Broadening Frequency Range of a Ferromagnetic Axion Haloscope with Strongly Coupled Cavity-Magnon Polaritons
由于轴子是暗物质的主要候选者，最近人们对通过所谓的“铁磁晕圈镜”进行直接检测产生了一些兴趣。这种装置利用了轴子和电子之间的耦合，以磁性材料的集体自旋激发的形式，通过微波腔读出。在这里，我们提出了一个新的，一般的，这样的实验在一个强耦合的磁振子和光子，杂交作为腔磁振子极化激元的哈密顿制剂的理论治疗。这种强耦合系统具有扩展的可测量色散范围。因此，我们扩展到色散制度，这使得任何铁磁haloscope实现改善的带宽相对于轴子质量参数空间的分析和操作这样的实验。该实验是在低温设置中实施的，并且给出了初始搜索结果，该结果设置了$g_{aee}>3.7\times10^{-9}$在$33.79~μ$ eV $< m_a<33.94~μ$ eV与$95\%$置信度范围内的轴子-电子耦合强度的实验室限制。计算出铁磁晕圈仪的潜在带宽为两个频带，第一个频带约为$8.24$ GHz周围的$1$ GHz（或$34.1~μ$ eV周围的$4.1~μ$ eV质量范围），第二个频带约为$10$ GHz周围的$1.6$ GHz（$41.4~μ$ eV周围的$6.6~μ$ eV质量范围）。频率调谐也可以通过外部磁场容易地实现，该外部磁场相对于腔频率改变铁磁谐振频率。本文讨论了未来改进以达到DFSZ轴子模型带所需的要求。
2019-03-29 physics.ins-det
Tunable Super-Mode Dielectric Resonators for Axion Haloscopes
我们提出了介电谐振器的频率调谐机制，它经历了“超模”的相互作用，因为他们调整。可调谐方案是基于介电材料的战略放置在传统的圆柱形谐振腔，必须在横向磁模式下工作，用于轴子haloscope。第一种技术是基于多个半径小于腔的介质盘。第二种方案依赖于类似于布拉格谐振器的中空介电圆柱体，但具有不同的位置和尺寸。特别是，我们设计了一个显着增加形状因子的TM 030模式利用一个分布式布拉格反射器谐振器的变化。此外，我们展示了传统的分布式布拉格反射器在TM模式中的应用，其可以应用于晕圈镜。这是布拉格谐振器应用于TM模式的第一次演示，也是超模式调谐布拉格谐振器或晕圈谐振器的第一次应用。理论和实验结果表明，由于超模效应的Q因子和可调谐性的增加。TM030环形谐振器模式提供了1和2个数量级之间的改善轴子灵敏度比目前的传统腔系统，并将在即将到来的ORGAN实验。
2018-02-06 hep-ex physics.ins-det
Discovering QCD-Coupled Axion Dark Matter with Polarization Haloscopes
本研究提出利用极化晕镜探测QCD耦合轴子暗物质，借助轴子引发的极化电介质振荡电流激发腔模，现有技术即可拓展新参数空间，还可验证轴子-光子耦合信号的来源。
2023-08-25 hep-ex hep-ph nucl-th
Development of an FPGA-based realtime DAQ system for axion haloscope experiments
建立了一个用于CULtASK轴子晕圈观测实验的实时数据采集系统。CULtASK是一个使用谐振腔寻找宇宙轴子的实验，在极高的磁场和超低温下，通过逆普里马科夫效应在几GHz频率范围内探测轴子转换产生的光子。所构建的数据采集系统采用现场可编程门阵列（FPGA）进行数据处理和快速傅立叶变换。这种设计以及专为实时数据传输而设计的自定义以太网数据包可实现100%的DAQ效率，这是与商用频谱分析仪相比的关键特性。该数据采集系统是针对轴子实验中的射频信号检测而优化设计的，具有100 Hz的频率分辨率和500 kHz的分析窗口。DAQ系统在100，000次测量中的平均噪声水平约为-111.7 dBm。从伪数据分析，证实了由于使用该实时DAQ系统重复和平均测量而导致的信噪比的改善。
2021-11-06 hep-ex physics.ins-det
Tunable photonic crystal haloscope for high-mass axion searches
在寻找轴子暗物质的过程中，基于腔的晕圈镜为微波区域中理论上有趣的模型提供了最灵敏的方法。然而，实验搜索已被限制到相对较低的质量高达几十个$μ$ eV，受益于大的检测体积和高品质因数为一个给定的实验设置。我们提出了一种新的腔设计，适用于轴子搜索在更高的质量区域，具有增强的性能。该设计的特点是介电材料在传统的导电腔中的周期性排列，其中谐振频率由间隙决定。这种光子晶体晕镜即使在高频下也能充分利用给定的体积，同时大大提高了腔体的品质因数。一个拉胀结构被认为是部署阵列的二维频率调谐。我们提出了这种晕镜设计的特点，并证明了其可行性高质量的轴子搜索。
2022-09-30 hep-ex physics.app-ph physics.ins-det
WISPDMX: A haloscope for WISP Dark Matter between 0.8-2 $μ$eV
弱相互作用细长粒子（WISP），包括QCD轴子、类轴子粒子（ALP）和隐藏光子，被认为是暗物质载体粒子的强候选者。微波腔实验WISPDMX是第一个直接WISP暗物质搜索实验，探测0.8-2.0 $μ$ eV范围内的粒子质量。WISPDMX测量的第一阶段已经在腔的标称谐振频率下完成。目前正在准备WISPDMX的第二阶段，目标是整个0.8-2.0 $μ$ eV质量范围的60%以内的隐藏光子和轴子。
2015-11-10 hep-ex physics.ins-det
Uniform Field in Microwave Cavities Through the Use of Effective Magnetic Walls
本文提出通过将谐振器金属壁移动四分之一波长，将电壁转换为有效磁壁，从而显著提高线媒质等离子体光晕计的形状因子，实现几乎均匀的电场模式，并经实验验证。
2025-08-06 physics.app-ph physics.ins-det physics.plasm-ph
Searching for Invisible Axion Dark Matter with an 18T Magnet Haloscope
报道了利用18 T高温超导磁晕镜对轴子暗物质的首次搜索结果。扫描频率范围为4.7789 ~ 4.8094GHz。没有观察到与星系晕暗物质轴子一致的显著信号。结果设定了轴子-光子-光子耦合的最佳上界（$g_{aγγ}$）在19.764至19.7711的质量范围内，$μ$ eV（19.863至19.890\，$μ$ eV），1.5 $\times|g_{aγγ}^{\text{KSVZ}}|$（1.7 $\times|g_{aγγ}^{\text{KSVZ}}|$）和19.772至19.863 μ，$μ$ eV（2.7 $\times|g_{aγγ}^{\text{KSVZ}}|$），置信水平为90%。这种显着的灵敏度在高质量区域的暗物质轴子是通过使用最强的磁场在现有的晕圈镜实验和实现低噪声放大的微波信号使用约瑟夫森参数转换器。
2022-06-17 hep-ex physics.ins-det
3D Lumped LC Resonators as Low Mass Axion Haloscopes
轴子是一种假设粒子，被认为是强CP问题最经济的解决方案。它也可以被表述为暗物质的一个引人注目的组成部分。Haloscope是一种领先的轴子探测方案，它依赖于在静态磁场存在下，在谐振腔结构内将星系晕轴子转换为真实光子，其中产生的光子频率对应于轴子的质量。对于最大灵敏度，关键是腔模式结构的中心频率与所产生的光子的频率一致。由于轴子的质量是未知的，因此有必要在很宽的频率范围内进行搜索。目前，有相当大的地区的有前途的前暴胀低质量轴子范围没有任何可行的建议进行实验搜索。我们表明，3D谐振LC电路与分离的磁场和电场，通常被称为凹腔，可以在这个区域中的灵敏暗物质haloscope，与频率固有地低于那些在空谐振腔的等效尺寸可实现的。我们计算这些实验的灵敏度和可访问的轴子质量范围，设计几何形状，以利用和最大化分离的磁性和电耦合的轴子腔模式。
2016-08-08 hep-ex physics.ins-det
On the use of ferroelectric material in the detection of dark matter axions
本研究提出利用铁电材料钽酸钾作为基于耦合微波腔的haloscopes的调谐元件和谐振器间耦合，实现2.23%的调谐范围，显著优于传统机械调谐系统，为暗物质轴子探测提供了关键升级。
2022-12-07 hep-ex physics.ins-det
Non-Destructive Testing for Black Heart Cavities in Potatoes with Microwave Radiation
第一次调查使用微波的非破坏性检测的存在下的黑心腔。此外，马铃薯的复介电常数数据之间的0.5 GHz至20 GHz的测量使用同轴传感器和配方的马铃薯幻影也提出。马铃薯的电磁时域有限差分模拟表明，微波如何通过马铃薯传播的变化可以在马铃薯表面产生高达26 dB的可测量的S21变化。浸没在马铃薯体模液体中的体模腔引起的S21变化的基于实验室的读数证实了模拟的结果，尽管幅度大大降低，约为0.1 dB。
2016-10-17 physics.ins-det
Revisiting the detection rate for axion haloscopes
腔晕镜已被用来探测在强磁场作用下不可见宇宙轴子共振转换的微波光子。在该方案中，轴子-光子转换功率已被公式化为对于某些条件有效，无论是$Q_{cavity}\ll Q_{\rm axion}$还是$Q_{cavity} \gg Q_{axion}$。然而，当这两个量彼此相当时，这种补救方法就失败了。此外，噪声功率流已被视为独立的阻抗失配的系统，这可能会引起误导的实验灵敏度的估计。我们重新审视的分析方法，得到一个一般的描述的信号和噪声功率。我们还优化了接收器的耦合强度，以产生最大的灵敏度轴子搜索实验。
2020-04-14 hep-ex hep-ph physics.ins-det
Parameter optimization of Josephson parametric amplifiers using a heuristic search algorithm for axion haloscope search
本研究提出利用Nelder-Mead启发式搜索算法动态优化约瑟夫森参量放大器的多维参数，以提升信噪比，从而有效增强轴子暗物质探测的灵敏度。
2024-04-29 physics.ins-det
Taiwan Axion Search Experiment with Haloscope: CD102 Analysis Details
本文介绍了在台湾轴子搜索实验与Haloscope（TASEH），在4.70750和4.79815 GHz之间的频率使用微波腔的轴子搜索的第一次物理运行期间获得的数据的分析。数据收集时间为2021年10月13日至2021年11月15日，称为CD 102数据。对TASEH CD 102数据的分析排除了轴子-双光子耦合$|g_{aγγ}| \gtrsim 8.2\times 10^{-14}$ GeV $^{-1}$的模型，这是质量范围为19.4687 < ma < 19.8436 $μ$ eV的基准KSVZ模型的11倍。
2022-05-13 hep-ex physics.ins-det
A Beehive Haloscope for High-mass Axion Dark Matter
提出由交叠同轴腔构成的蜂巢式 haloscope，通过强耦合同步在高频下实现大体积谐振器，并以169单元仿真验证其高形状因子与可调谐性。
2024-04-09 hep-ex physics.ins-det
First Results from the Taiwan Axion Search Experiment with Haloscope at 19.6 $μ$eV
这封信报告了台湾使用Haloscope进行的轴子搜索实验的第一个结果，该实验使用频率在4.70750和4.79815 GHz之间的微波腔来搜索轴子。实验排除了轴子-双光子耦合$\left|g_{aγγ}\right|\gtrsim 8.2\times 10^{-14}$ GeV $^{-1}$的模型，该模型比基准KSVZ模型高出11倍，在19.4687 < $m_a$ < 19.8436 $μ$ eV的质量范围内，其灵敏度比任何现有极限都高出三个数量级。这也是第一次在这个质量区域内对$g_{aγγ}$进行Haloscope类型的实验。
2022-05-19 hep-ex physics.ins-det
Characterization of the HAYSTAC axion dark matter search cavity using microwave measurement and simulation techniques
许多对轴子冷暗物质的研究依赖于可调谐电磁谐振器的使用。电流检测器在微波频率或接近微波频率下工作，并使用带有圆柱形调谐杆的圆柱形腔。腔体性能强烈地影响检测器的信号功率，即使在最佳条件下，预期信号功率也非常小。有强烈的动机，以表征这些微波腔，并提高其性能，以最大限度地提高可实现的信号功率。我们提出了一项研究的结果，表征HAYSTAC（Haloscope在耶鲁大学敏感的轴子冷暗物质）腔微扰测量和详细的三维电磁模拟。这是第一次使用微珠微扰方法来表征轴子晕镜腔。在这项研究中，我们测量了0.001英寸量级的错位影响，并证明了使用电磁模拟可以预测相同的影响。我们还进行了详细的研究模式之间的交叉和杂交的TM $_{010}$模式中使用的操作和其他腔模式。这种混合限制了在轴子搜索期间可以使用的腔的调谐范围。通过详细描述每个模式交叉，我们表明，一些模式交叉是良性的，可能仍然有用的数据收集。观察到的测量和模拟之间的一致性水平表明，有限元建模可以捕获非理想的腔行为和非常小的缺陷的影响。三维电磁仿真和微扰测量是微波工程界的标准工具，但它们在轴子腔设计中没有得到充分利用。这项工作证明了他们的潜力，以提高对现有腔体的理解和优化未来的设计。
2019-01-30 physics.ins-det
The ORGAN Experiment: An axion haloscope above 15 GHz
我们目前的第一个结果和未来的计划振荡谐振群AxioN（ORGAN）实验，微波腔轴子haloscopic位于珀斯，西澳大利亚州的设计探测高质量的轴子激发的几个理论模型。第一阶段集中在26.6 GHz附近，以便直接测试所声称的结果，该结果表明轴子存在于相应的质量$110~μ$ eV。后期阶段将移动到15-50 GHz（$60-210~μ$ eV）的更宽扫描范围。我们提出了寻路运行的结果，它在26.531 GHz或110~ $μ$ eV的范围内设置了$2.02\times 10^{-12} $ eV $^{-1}$的$g_{aγγ}$极限，范围为2.5 neV（由洛伦兹共振形成），具有$90 \%$置信度。此外，我们概述了目前的设计和未来的战略，最终达到搜索知名的轴子模型在更广泛的质量范围内的灵敏度。
2017-10-12 hep-ex physics.ins-det
Axion and hidden photon dark matter detection with multilayer optical haloscopes
一个动机良好的暗物质候选者，包括轴子和暗光子，采取光玻色子场的相干振荡的形式。如果暗物质耦合到标准模型状态，那么就有可能通过实验室目标中的反射来检测它。目前的这类实验包括基于腔的谐振器，它将玻色子暗物质转换为电磁场，工作在微波频率。我们提出了一类新的检测器在更高的频率，从红外线到紫外线，基于介电晕圈概念。在周期性光子材料中，玻色子暗物质可以有效地转换为可检测的单光子。通过可行的实验技术，这些探测器可以探测到在0.1-10 eV质量范围内的轴子和暗光子暗物质的重要新参数空间。
2018-08-05 cond-mat.mes-hall hep-ph physics.ins-det
Identifying environmentally induced calibration changes in cryogenic RF axion detector systems using Deep Neural Networks
本文利用深度神经网络分析非共振数据，以诊断低温射频轴子探测器中的设备故障和物理条件，提升探测器的复杂性管理能力。
2025-03-04 hep-ex physics.ins-det
Galactic axions search with a superconducting resonant cavity
为了解释我们宇宙中的暗物质含量，后暴胀情景预测QCD轴子的质量在$(10-10^3)\,μ\mbox{eV}$范围内。在该质量范围内的具有晕圈镜的实验需要监测频率高于5GHz的谐振腔模式，其中由于线性放大器、小体积和Cu谐振腔的低品质因数而出现几个实验限制。在本文中，我们处理的最后一个问题，提出的结果，寻找银河系轴子使用的晕镜的基础上$36\,\mbox{cm}^3$ NbTi超导腔。该腔在2，T磁场中工作于$T=4\,\mbox{K}$，在9，GHz时，TM 0 10模的品质因数为$Q_0= 4.5\times10^5$.对于这样的$Q$值，相对于铜腔haloscope，轴子信号显著增加。操作此设置，我们将轴子光子耦合的极限$g_{aγγ}<1.03\times10^{-12}\,\mbox{GeV}^{-1}$设置为约37 μ l，$μ$ eV。在不同的磁场，温度和频率的NbTi腔的综合研究。
2019-03-15 physics.ins-det
Dielectric Haloscopes: A New Way to Detect Axion Dark Matter
我们提出了一种新的策略，通过引入介电Haloscope，其中包括放置在一个磁场中的介质盘，寻找质量范围为40- 400 $μ$ eV的暗物质轴子。变化的介电介质引起轴子感应电场的不连续性，导致产生传播的电磁波以满足界面处的连续性要求。具有可调距离的大面积磁盘将微波信号（10- 100 GHz）提升到可观察的水平，并允许在广泛的轴子质量范围内进行扫描。对QCD轴子模型的敏感性是可以想象的，80个1 m $^2$面积的圆盘包含在一个$10$特斯拉场中。
2017-03-03 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
Speeding axion haloscope experiments using heterodyne-variance-based detection with a power-meter
本研究提出一种基于外差方差的轴子检测新方法，通过向微波腔注入强信号，利用功率探测器测量干涉方差来搜索轴子，可在高暗计数率下仍保持接近量子噪声极限的灵敏度，并通过演示电路验证了概念可行性。
2022-09-15 hep-ex physics.ins-det
Asymmetrical cavity design that bypasses mode mixings in axion haloscope experiments
针对轴子晕望远镜中调谐杆引发模式混合并造成频率灵敏度空隙的问题，本文提出在特定位置插入介质杆形成非对称腔体，从而移动混合位置与频率，减少灵敏度损失，并验证其在缩小尺寸、更高频段下同样有效。
2025-06-11 hep-ex hep-ph physics.ins-det
Broadband Axion Dark Matter Haloscopes via Electric Sensing
轴子暗物质的质量仅受宇宙学观测的弱约束，需要在质量范围的几个数量级上使用各种检测技术。基于共振腔的轴子星像仪已成为目前寻找暗物质轴子的标准。这种结构固有地是窄带的，并且对于低质量，所需腔的体积变得过大。宽带低质量探测器已经提出使用感应磁力计传感器和间隙环形螺线管磁体。在这项工作中，我们提出了一种替代方案，它使用电传感器在传统的螺线管磁铁在实验室的z轴对齐，在标准的haloscope实验中实施。在存在DC磁场的情况下，逆Primakoff效应导致z方向上的时变永久电真空极化以轴子康普顿频率振荡，这引起振荡电动势。我们提出了非谐振技术来检测这种振荡电动势通过实现电容传感器或电偶极天线耦合到一个低噪声放大器。我们提出的第一个实验结果，并讨论了这一建议的基础和潜力。初步结果约束$g_{aγγ} >\sim2.35\times10^{-12}$ $\text{GeV}^{-1}$在$2.08\times10^{-11}$到$2.2\times10^{-11}$电子伏特的质量范围内，并展示了潜在的敏感性轴子类暗物质的质量范围内的$10^{-12}$到$10^{-8}$电子伏特。
2018-10-26 gr-qc hep-ex hep-ph
Design and characterization of dielectric filled TM$_{110}$ microwave cavities for ultrafast electron microscopy
以TM $_{110}$模式振荡的微波腔可用作电子显微镜内的动态电子光学元件。通过用介电材料填充腔，其变得更紧凑和功率效率更高，便于在电子显微镜中实施。然而，介电材料的结合使得制造过程更加困难。这里提出的是所采取的步骤，以表征电介质材料，并可重复地制造电介质填充腔。此外，还提供了两个版本的改进功能。第一种称为双模腔，设计用于同时支持两种模式。第二个已针对低功耗进行了优化。利用这种优化的腔，在14.2 $\pm$ 0.2 W的输入功率下产生2.84 $\pm$ 0.07 mT的磁场强度。由于低输入功率和小尺寸，这些电介质腔是理想的电子显微镜设置的电子光学元件。
2018-11-06 physics.app-ph physics.ins-det
A tunable photonic band gap resonator for axion dark matter searches
Wellesley College（韦尔斯利学院）；University of California, Davis（加州大学戴维斯分校）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Brown University（布朗大学）；Yale University（耶鲁大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
本研究针对现有轴子haloscope的圆柱腔模式混叠问题，提出首个可调谐光子带隙谐振器，成功约束工作TM₀₁₀模式并消除调谐范围内所有横电模式，为轴子暗物质搜寻提供新方案。
2026-08-24 hep-ex physics.ins-det
Development of microwave cavities for measurement of muonium hyperfine structure at J-PARC
MuSEUM合作计划在日本质子加速器研究综合体（J-PARC），材料和生命科学实验设施中测量μ 鎓的基态超精细结构（HFS）。不久将在H线上提供的高强度光束可以进行一个数量级的更精确测量。我们计划分两个阶段进行测量。首先，我们将在近零磁场中测量Mu-HFS，然后我们将在强磁场中测量它。为此，我们研制了两种微波谐振腔。此外，我们评估了系统的不确定性，从这样的波动的微波场，并确认微波系统的要求，我们使用的微波场分布计算的有限元法。
2022-01-03 hep-ex physics.atom-ph physics.ins-det
Inverse Design of Three-Dimensional Microwave Cavities for Optimizing Electromagnetic Helicity
University of Western Australia（西澳大学）
本文提出一种逆设计框架，系统地设计支持非零电磁螺旋度的三维微波谐振腔，通过边界形状优化方法提升螺旋度，验证了设计原则。
2026-10-07 physics.comp-ph physics.ins-det physics.optics
On the use of dielectric elements in axion searches with microwave resonant cavities
本文研究介电材料对微波谐振腔轴子暗物质搜寻的影响，发现介电腔在最低阶 TM 模式及高阶模式混合方面可能降低性能，且 TM010 模式灵敏度显著低于无介电腔。
2023-04-13 hep-ex physics.ins-det
UPconversion Loop Oscillator Axion Detection experiment: A precision frequency interferometric axion dark matter search with a Cylindrical Microwave Cavity
本研究提出基于单个圆柱微波腔双模振荡器的轴子探测新方法，利用轴子-光子耦合实现低质量轴子上转换探测，首批室温实验给出两个能区的轴子耦合排除限，且低温方案有望拓展参数空间探测能力。
2021-06-09 hep-ex physics.ins-det
Maximizing Quantum Enhancement in Axion Dark Matter Experiments
本文在1–30 GHz下比较线性放大器与微波光子计数器，指出高频低背景场景下光子计数器的优势，并提出背景抑制、过耦合、低温电磁条件和分布式耦合端口等增强扫描速率的方向。
2025-06-09 hep-ex physics.ins-det
Fast DAQ system with image rejection for axion dark matter searches
利用微波谐振腔进行轴子暗物质探测的快速数据采集（DAQ）系统，也称为轴子晕圈探测器，已经开发了一个双通道数字化仪，可以以高达180 MSamples/s的速率对16位振幅进行采样。首先，我们实现了单个DAQ通道的实际DAQ效率超过99%，其中DAQ过程包括在线快速傅立叶变换（FFT）。使用IQ混频器和两个并行DAQ通道，我们还实现了基于软件的镜像抑制，而不会损失DAQ效率。这项工作扩展了我们的持续努力，以提高在轴子haloscope搜索的品质因数，扫描速率。
2022-04-18 hep-ex physics.ins-det
ADMX-Orpheus First Search for 70 $μ$eV Dark Photon Dark Matter: Detailed Design, Operations, and Analysis
暗物质占宇宙物质的85%，占能量密度的27%，但我们不知道暗物质是由什么组成的。暗物质可能由轴子或暗光子组成，这两种物质都可以用一种被称为晕圈镜的超灵敏微波腔来探测。ADMX采用的晕镜由一个工作在TM $_{010}$模式的圆柱形腔组成，对质量为几个$μ$ eV的QCD轴子敏感。然而，这种晕圈镜设计对于实现更高的质量变得具有挑战性。这是因为质量越大，需要的腔体直径越小，从而减小了检测体积，这会降低检测到的信号功率。ADMX-Orpheus通过在高阶模式下操作可调谐介质加载腔来缓解这一问题，从而使检测体积保持较大。本文介绍了设计，操作，分析和结果之间的就职ADMX-俄耳甫斯暗光子搜索65.5 $μ$ eV（15.8 GHz）和69.3 $μ$ eV（16.8 GHz），以及未来的方向，轴子搜索和探索更多的参数空间。
2022-11-09 hep-ex physics.ins-det
A detector of small harmonic displacements based on two coupled microwave cavities
本文介绍了一种小谐波位移检测仪的设计和试验。该探测器是基于两个超导耦合微波腔谐振模式之间的功率参量转换原理。这项工作是基于Bernard、Pegoraro、Picasso和Radicati的最初想法，他们在1978年提出超导耦合腔可以用作引力波的灵敏探测器，以及Reece、Reiner和Melissinos的工作，他们在1984年建造了一个这种探测器。他们表明，谐振腔长度l的谐波调制在谐振腔的两个模式之间产生能量转移，前提是调制的频率等于两个模式的频率差。它们实现了对dl/l~10^{-17} Hz^{-1/2}的分数变形的灵敏度。我们重复了Reece、Reiner和Melissinos的实验，并改进了实验结构和腔质量，将灵敏度提高到dl/l~10^{-20} Hz^{-1/2}。本文讨论了该装置的基本原理，并详细说明了实验技术。展望了未来引力波探测的发展方向。
2001-03-07 gr-qc physics.ins-det
Polymer-loaded three dimensional microwave cavities for hybrid quantum systems
微波腔谐振器是许多量子技术的关键部件，并且是混合量子系统的有前途的平台，因为它们的开放式架构使得能够在腔体积内集成多个子系统。为了在腔内支持这些子系统，通常需要辅助结构，但是由于缺乏对材料在微波区域中的响应的先验知识，这些结构对微波腔模式的影响难以预测。当频率匹配至关重要且调谐受限时，例如将微波模式与原子共振匹配时，了解这些效应变得更加重要。在这里，我们研究了三种常用的可加工聚合物存在下的微波腔模式，特别注意谐振和能量耗散的变化。我们演示了如何使用导出的介电系数和损耗角正切参数的腔体设计中的测试情况下，其中我们匹配的聚合物填充的3D微波腔的超精细过渡铷。
2021-04-20 cond-mat.other physics.atom-ph physics.ins-det
Extended High-Mass Axion Search with an Auxetically Tuned Higher-Order-Mode Cavity
Institute for Basic Science（基础科学研究院）；RIKEN Center for Quantum Computing（理化学研究所量子计算中心）；Oskar Klein Centre, Department of Physics, Stockholm University（斯德哥尔摩大学奥斯卡·克莱因物理中心）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（美因茨约翰内斯古腾堡大学）；Helmholtz Institute Mainz（美因茨亥姆霍兹研究所）；Department of Physics, Seoul National University（首尔大学物理系）；Department of Applied Physics, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo（东京大学大学院工学系研究科应用物理专业）
本研究利用辅助调谐的高阶模腔扩展了高质量轴子搜索，覆盖4.98-5.27 GHz，排除了接近KSVZ基准的耦合，验证了高阶模腔的可扩展性。
2026-09-10 hep-ex physics.ins-det
Dark Matter Haloscope with a Disordered Dielectric Absorber
Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院电子研究实验室）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（理论物理前沿研究所）；Department of Physics and Astronomy, York University（约克大学物理与天文学系）；Department of Physics, University of Washington（华盛顿大学物理系）
利用无序介电材料开发新型暗物质探测器，通过界面转换提高对轴子和暗光子的灵敏度，实现对QCD轴子-光子耦合的高精度探测。
2026-08-21 cond-mat.mes-hall hep-ex hep-ph
