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
A dipole amplifier for electric dipole moments, axion-like particles and a dense dark matter hairs detector
一种工具，可以限制，在几分钟内，超出标准模型参数，如电偶极矩（EDM）下降到一个下限$d_\text{e}^{\cal{N}}<10^{-37}\text{e}\cdot\text{cm}$在散装材料，或耦合的类轴子粒子（ALP）光子下降到$|G_{aγγ}|<10^{-16}$ ~GeV $^{-1}$，描述。对于中子EDM，最佳极限为$d^n_e<3\cdot10^{-26}\text{e}\cdot\text{cm}$，而对于$|G_{aγγ}|<6.6\cdot10^{-11}$，最佳极限为~GeV $^{-1}$。{ \it偶极放大器}由沉浸在环形磁场中的超导回路构建而成，即$\vec{B}$。当在伦敦穿透深度的核磁矩与$\vec{B}$对齐时，体磁化总是伴随着EDM诱导的体电场$\vec{E}\propto\vec{B}$，其产生具有特征频率$ω_{\text{D}}\propto d_\text{e}^{\cal{N}}$的可检测的振荡超电流。冷暗物质（CDM）ALP在形式上是相似的，其中$ω_\text{D}\propto |G_{aγγ}|\sqrt{n_a/(2m_a)}$和$m_a$是ALP质量，$n_a$是数密度。如果$|G_{aγγ}|\sqrt{n_h/(2m_a)}>4.9\cdot10^{-27}$其中$n_h$是毛发中的ALP数密度，则具有偶极放大…
2016-04-07 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Extended Search for the Invisible Axion with the Axion Dark Matter Experiment
本文报道了用腔晕镜在质量范围为$2.81$ - $3.31$ $μeV$的星系晕中寻找暗物质轴子的研究结果。这种搜索排除了在解决量子色动力学强CP问题的不可见轴子基准模型中预测的轴子-光子耦合值的全部范围，并标志着第一次Haloscope搜索已经能够使用替代腔配置在模式交叉处搜索轴子。通过部署超低噪声约瑟夫森参量放大器作为第一级信号放大器，在此更高质量范围内实现了前所未有的灵敏度。
2019-11-01 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Design and Operational Experience of a Microwave Cavity Axion Detector for the 20-100 micro-eV Range
我们描述了一个暗物质轴子探测器的设计，建造和操作作为一个创新平台，新的腔和放大器技术，并作为一个数据探路者在$5 - 25$ GHz范围（$\sim20-100\: μ$ eV）。该平台体积小，但灵活，以促进新的微波腔和放大器的概念在操作环境中的发展。该实验最近完成了第一次数据生产;这是第一次微波腔轴子搜索部署约瑟夫森参量放大器和稀释冰箱，以实现近量子限制性能。
2017-02-23 astro-ph.IM physics.ins-det
Haloscope searches for dark matter axions at the Center for Axion and Precision Physics Research
轴子和精密物理研究中心（CAPP）成立于2013年，其目标是揭示强CP问题和轴子的存在。CAPP的大部分工作集中在直接探测暗物质候选轴子上，并进行了一系列局部晕圈观测实验，努力扩大对“不可见轴子”质量范围的覆盖范围。其中前两个计划在今年进行实验运行，利用超低低温和环形腔几何形状。整个计划建立在尖端技术的基础上，包括超导薄膜，SQUID放大器和新型磁体的发展。本文介绍了计划的进展和该计划的状态，同时也可以被认为是一个教学介绍晕圈镜实验。
2017-02-13 hep-ex physics.ins-det
Axion Dark Matter eXperiment: Detailed Design and Operations
Axion Dark Matter eXperiment（ADMX）超低噪声Haloscope技术已经成功完成了两次科学运行（1A和1B），以Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnisky（DFSZ）灵敏度在$2.66$至$3.1$ $μ$ eV质量范围内寻找暗物质轴子。参考文献[1，2]。因此，它是迄今为止在这个质量范围内最灵敏的轴子搜索实验。我们讨论了在过去几年中取得的技术进步，以实现这种灵敏度，其中包括实施的组件，如国家的最先进的量子限幅放大器和稀释冰箱。此外，我们演示了使用的频率可调微带超导量子干涉器件（SQUID）放大器（MSA），在运行1A，约瑟夫森参量放大器（JPA），在运行1B，随着新的分析工具，表征系统的噪声温度。
2020-10-01 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Near-Quantum-Noise Axion Dark Matter Search at CAPP around 9.5 $μ$eV
我们报告的结果的一个轴子暗物质的轴子质量范围为9.39-9.51 $μ$ eV的搜索。磁通驱动约瑟夫森参量放大器（JPA）被添加到低温接收链。实现了低至200 mK的系统噪声温度，这是已发表的轴子腔实验与相位不敏感的JPA操作中记录的最低噪声。此外，我们开发了一个两阶段的扫描方法，使扫描速度提高了26%。因此，在一个合理的模型中的QCD轴子的双光子耦合的范围被排除在灵敏度比现有的限制高一个数量级。
2022-07-27 hep-ex physics.ins-det
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
First results from the HAYSTAC axion search
轴子是一个动机良好的冷暗物质（CDM）的候选者，首先假设解释强相互作用中没有$CP$违反。CDM轴子可以通过它们在“晕圈镜”探测器中共振转换成光子来探测：可调谐高$Q$微波腔保持在低温下，浸没在强磁场中，并耦合到低噪声接收器。本论文报告的设计，调试和第一次运行的Haloscope在耶鲁大学敏感的轴子CDM（HAYSTAC），一个新的探测器，旨在寻找CDM轴子以上的质量$20$ $μ\mathrm{eV}$。我还描述了开发的分析程序，以获得限制轴子CDM从第一HAYSTAC数据运行，其中不包括轴子模型与双光子耦合$g_{aγγ} \gtrsim 2\times10^{-14}$ $\mathrm{GeV}^{-1}$，一个因素为2.3以上的基准KSVZ模型，在质量范围$23.55 < m_a < 24.0$ $μ\mathrm{eV}$。这一结果代表了两项重要成就。首先，它证明了宇宙学相关的敏感性，在质量上比任何现有的直接限制都高一个数量级。其次，通过将稀释制冷机和约瑟夫森参量放大器，HAYSTAC已经证明了总噪声接近标准量子极限的第一次在haloscope轴子搜索。
2018-01-02 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
A Search for Invisible Axion Dark Matter with the Axion Dark Matter Experiment
这封信报告了从晕圈镜搜索质量在2.66和2.81 $μ$ eV之间的暗物质轴子的结果。搜索排除了由不可见轴子的合理模型预测的轴子-光子耦合的范围。这种前所未有的灵敏度是通过在亚开尔文温度下操作大容量晕圈镜来实现的，从而降低了热噪声以及用于信号功率读出的超低噪声SQUID放大器的过量噪声。正在进行的搜索将提供几乎明确的测试不可见的轴子模型在广泛的轴子质量。
2018-04-17 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Future Directions in the Microwave Cavity Search for Dark Matter Axions
轴子是一种轻的赝标粒子，在强相互作用中能抑制CP破坏效应，同时也是一种很好的暗物质候选者。构成银河系暗物质晕的轴子，可以在一个被磁场渗透的微波腔中通过共振转换为光子来探测。目前这一代的微波腔实验已经证明了对合理的轴子模型的灵敏度，正在进行的升级应该达到确定性搜索所需的灵敏度，至少对于低质量轴子。然而，用于扫描从1-1000 $μ$ eV的整个质量范围的综合策略将需要显著的技术进步以在较高频率下保持所需的灵敏度。这些进展可能包括基于压缩真空态的亚量子限制放大器、测辐射热计和/或超导微波腔。Axion暗物质高频实验（ADMX-HF）代表了20-100 $μ$ eV范围（$\sim$ 5-25 GHz）的第一批数据的探路者，以及这些概念的创新试验台。
2014-05-14 hep-ex physics.ins-det
Axion Haloscope Using an 18 T High Temperature Superconducting Magnet
我们详细报告了轴子暗物质搜索实验，该实验使用了高温超导（HTS）磁体和约瑟夫森参数转换器（JPC）的创新技术。研制了18 T高温超导螺线管磁体。JPC被用作第一级放大器，以实现近量子限制的低噪声条件。第一次暗物质轴子搜索是用18 T轴子晕圈镜进行的。扫描频率范围为4.7789 GHz至4.8094 GHz（30.5 MHz范围）。没有观察到与银河系暗物质轴子一致的显著信号。我们的结果设定了轴子-光子-光子耦合（$g_{aγγ}$）的最佳极限在轴子质量范围为19.764至19.890 $μ$ eV。使用贝叶斯方法，$g_{aγγ}$的上限分别在19.764至19.771 $μ$ eV（19.863至19.890 $μ$ eV）的质量范围内设定为0.98 $\times|g_{aγγ}^{\text{KSVZ}}|$（1.11 $\times|g_{aγγ}^{\text{KSVZ}}|$），在19.772至19.863 $μ$ eV的质量范围内设定为1.76 $\times|g_{aγγ}^{\text{KSVZ}}|$，置信水平为90\%。我们报告了18 T轴子晕镜实验的设计、建造、操作和数据分析。
2022-11-30 hep-ex physics.ins-det
Broadband Electrical Action Sensing Techniques with conducting wires for low-mass dark matter axion detection
由于逆Primakoff效应，已经表明，当轴子与直流磁场B-场相互作用时，所产生的电作用将产生以轴子的康普顿频率振荡的AC电动势，并且可以被建模为振荡的有效外加磁流边界源。我们使用这个结果来计算新的实验的灵敏度低质量轴子使用准静态技术。首先，我们计算的电流在电偶极子天线（直导线）时，直流B-场是空间恒定的，并表明它具有正比于轴子质量的灵敏度。在此之后，我们通过利用空间变化的DC B场的全部范围来扩展拓扑。这种扩展是通过将一维导线转换为二维绕组来实现的，以完全链接有效磁流边界源，从而耦合到完整的轴子感应电作用。在这种情况下，导体变成线圈绕组，其中绕组两端的感应电压与绕组的数量成比例地增加。我们研究了两种不同的拓扑结构：第一种使用单个绕组，并耦合到绕组中产生的有效短路电流，该电流使用灵敏的低阻抗SQUID放大器读出：第二种使用多个绕组，每匝有效地增加与绕组数量成比例的电压输出。通过实现低温低噪声高输入阻抗电压放大器来优化这种配置的读出。最终结果是一种新的宽带电作用传感技术，其灵敏度提高了几个数量级，与轴子光子耦合成线性比例，并且能够检测QCD暗物质轴子。
2020-06-11 astro-ph.IM gr-qc hep-ex
Search for invisible axion dark matter of mass m$_a=43~μ$eV with the QUAX--$aγ$ experiment
QUAX-$aγ$实验的晕圈镜由一个8.1 T磁体内的无氧高导热铜腔组成，并冷却到$\sim200$ mK，用于搜索质量为$m_a\simeq43~μ\text{eV}$的银河系轴子。由谐振腔发射的功率被约瑟夫森参量放大器放大，其噪声波动处于标准量子极限。在大约1小时内收集的数据，在腔频率$ν_c=10.40176$ GHz，实验达到银河系QCD-轴子的检测所需的灵敏度，设置$90\%$置信水平限制的轴子-光子耦合$g_{aγγ}<0.639\times10^{-13}$ GeV $^{-1}$。
2021-05-26 hep-ex 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
Near-quantum-limited axion dark matter search with the ORGAN experiment around 26 $μ$eV
ORGAN实验在毫开尔文温度和近量子极限噪声条件下，利用导电棒谐振器与7 T磁体搜寻约26 μeV轴子，给出迄今最强的轴子-光子耦合排除限。
2025-05-12 hep-ex physics.ins-det quant-ph
Four-channel System for Characterization of Josephson Parametric Amplifiers
本文提出一种基于4通道宽带噪声源的低温测量装置，用于在20 mK下同时表征约瑟夫森参量放大器和HEMT放大器的增益与噪声，以支持轴子搜索实验。
2023-05-09 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Resonant Electric Probe to Axionic Dark Matter
本研究提出利用LC共振结合螺线管磁体设施探测轴子暗物质诱发的窄带电信号，经低温放大探测后可对低质量QCD轴子实现远超现有宇宙射线约束的高灵敏度探测。
2023-05-01 astro-ph.CO cond-mat.mes-hall hep-ex
Search for "Invisible" Axion Dark Matter in the $3.3\text{-}4.2~μ$eV Mass Range
我们报告的结果从晕镜搜索的轴子暗物质在$3.3\text{-}4.2~μ$ eV的质量范围。这项研究排除了“不可见”轴子暗物质的基准模型之一KSVZ模型预测的轴子-光子耦合。这种灵敏度是通过使用大体积腔体、超导磁体、超低噪声约瑟夫森参量放大器和亚开尔文温度来实现的。通过注入和检测盲合成轴子信号，保证了检测过程的有效性。
2021-12-29 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Search for a Scalar Axion-like Particle at 34 GHz
在基本粒子的标准模型的一些扩展中，允许耦合到两个光子的轻轴子状粒子（ALP）。从理论和观测的角度来看，特别感兴趣的是0.1 meV附近的能量区。我们目前的结果从一个试点实验中寻找一个信号从0.14毫电子伏的标量ALP通过其耦合到两个光子。使用铜谐振腔冷却到4度开尔文，同时沉浸在7特斯拉的磁场，并耦合到低噪声低温放大器和室温接收器，我们排除了ALP驱动的过量的34 GHz光子与g $>10^{-8}$ /GeV与5 $σ$的信心。我们讨论了这种初始测量的后果以及为提高灵敏度而计划对实验进行的修改。
2013-01-25 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
HAYSTAC Status, Results, and Plans
我们描述的设计暗物质实验晕镜在耶鲁大学敏感的轴子冷暗物质（HAYSTAC），并报告结果的晕镜搜索暗物质轴子。我们排除了轴子光子耦合$g_{aγγ} \underset{\sim}{>}2\times10^{-14}$ GeV $^{-1}$在范围$23.55<m_{a}<24.0$ $μ$ eV的轴子模型。该灵敏度是KSVZ模型耦合的2.7倍，在给定的质量范围内平均。第一阶段实现了噪声温度的2倍以上的标准量子限制。第二阶段，现在进入调试，采用了挤压真空状态接收器，以逃避量子限制，这将提供一个因素的$\sim2$改善扫描速率比目前的单约瑟夫森参量放大器（JPA）接收器。HAYSTAC第二阶段接收器的灵敏度将导致对双光子耦合强度的精确约束，并代表迄今为止探测$m_a>20~μ$ eV的最灵敏的轴子腔探测器。
2019-01-13 physics.ins-det
Quantum sensitivity limits of nuclear magnetic resonance experiments searching for new fundamental physics
核磁共振是寻找超轻类轴子暗物质的一种很有前途的实验方法。像宇宙轴子自旋进动实验（CASPEr）这样的实验最终会受到量子力学噪声源的限制，特别是自旋投影噪声。我们讨论如何可能达到这些基本限制。我们考虑一个磁共振实验的电路模型和量化三个噪声源：自旋投影噪声，热噪声和放大器噪声。总噪声谱的计算考虑了核自旋对电路阻抗的影响以及自旋系综对电路的反作用。抑制电路的反作用是特别重要的，以自旋投影噪声限制的搜索类轴子暗物质达到量子色动力学轴子灵敏度。
2021-03-10 cond-mat.other hep-ph physics.ins-det
Sensitivity of Proposed Search for Axion-induced Magnetic Field using Optically Pumped Magnetometers
利用光泵磁强计研究了外磁场中暗物质诱导的振荡电流。该实验基于Sikivie、Sullivan和Tanner的LC电路轴子检测概念。轴子-光子耦合对麦克斯韦方程组的修正导致在存在磁场的情况下产生一个频率等于轴子质量的微小振荡磁场。这种感应磁场可以在室温实验中使用具有最灵敏的无制冷剂磁场传感器OPM的LC电路放大器来搜索，从而避免了对复杂且昂贵的制冷系统的需要。我们讨论了如何修改现有的磁共振成像（MRI）实验，以搜索轴子在以前未探索的参数空间的一部分。我们现有的检测设置，优化MRI，已经是敏感的轴子质量附近的$3\times10^{-10}$ eV的$10^{-7}$ GeV $^{-1}$的轴子光子耦合。虽然这是排除了从天体物理学和太阳轴子搜索的限制，我们表明，现实的修改，并优化轴子检测实验，可以设置一个新的限制轴子光子耦合高达三个数量级超过目前的最佳限制，轴子质量之间的$10^{-11}$电子伏特和$10^{-7}$电子伏特。离子质量之间的$10^{-11}$电子伏特和$10^{-7}$电子伏特。
2018-03-22 nucl-ex physics.ins-det
