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
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
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
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
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
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
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
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
Optimising Re-entrant Cavity Designs for Low Mass Axion Haloscopes
Swinburne University of Technology（斯威本科技大学）；University of Western Australia（西澳大学）
本文通过优化回形谐振腔设计，提高了低质量轴子卤素探测器的有效扫描时间，提出了一种双攻击几何结构和混合设计方案，提升了探测灵敏度。
2026-01-28 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
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 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Search for dark-matter axions beyond the quantum limit: the Cosmological Axion Sarov Haloscope (CASH) proposal
该提案旨在通过超低温单光子探测器与强磁场，将暗物质轴子探测灵敏度推进至量子极限以下，使CASH成为该质量范围最灵敏的谐振腔。
2025-06-23 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Exclusion of ALP Cogenesis Dark Matter in a Mass Window Above 100 $μ$eV
ORGAN实验第1b阶段利用可调谐矩形腔在107.42–111.93 μeV范围内搜寻暗物质轴子，以95%置信区间排除g_{aγγ} ≥ 4×10^{-12} GeV^{-1}的耦合，首次排除该质量窗口内的ALP共源暗物质模型，并创下约100 μeV区域最灵敏的轴子晕镜纪录。
2023-10-02 hep-ex physics.ins-det
Broad frequency tuning of a Nb$_{3}$Sn superconducting microwave cavity for dark matter searches
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国家实验室）；Superconducting Quantum Materials and Systems center (SQMS), Fermi National Accelerator Laboratory（超导量子材料与系统中心（SQMS），费米国家加速器实验室）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；INFN, Laboratori Nazionali di Frascati（意大利国家核物理研究所弗拉斯卡蒂国家实验室）
本研究提出了一种基于机械分离的宽频调谐方法，用于提高超导微波谐振腔的调谐范围，适用于暗物质探测实验。
2026-03-09 hep-ex physics.ins-det
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
Direct Search for Dark Matter Axions Excluding ALP Cogenesis in the 63-67 micro-eV Range, with The ORGAN Experiment
标准模型的轴子跷跷板希格斯门膨胀（SMASH）模型是一个动机良好的，自包含的粒子物理在一个范围内的能量尺度，预测轴子暗物质粒子存在的质量范围内的$50-200\,μ$ eV的描述。为了扫描这些质量，在强恒定磁场下的轴子晕圈镜必须在12至48 GHz之间操作。ORGAN实验（位于澳大利亚珀斯）是一个微波腔轴子晕镜，旨在搜索SMASH模型预测的大部分质量范围。在这里，我们提出的阶段1a，第一个实验扫描和搜索微波Ku波段的轴子的结果。我们的初始扫描设置了一个新的限制耦合的轴子到两个光子的$g_{aγγ}\geq 3\times 10^{-12}\, \textrm{GeV}^{-1}$在质量范围$63.2$ $67.1~μ$电子伏特与$95\%$的信心。这一结果是迄今为止在这个质量范围内最敏感的，足以排除动机良好的ALP（类轴子粒子）共成因模型的暗物质，它增加了ALP在早期宇宙的标准模型，同时解释观察到的重子和暗物质密度。为了达到这种灵敏度水平，我们利用TM $_{010}$圆柱形空腔谐振器，通过利用调谐棒在15.28至16.23 GHz之间扫描。测量进行了3.5周的持续时间与$74\%$占空比，与谐振器耦合到一个低噪声HEMT放大器，并放置在一个超导螺线管电磁体的磁场强度为11.5特斯拉。
2022-03-23 astro-ph.IM gr-qc 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
The Microwave Air Yield Beam Experiment (MAYBE): measurement of GHz radiation for Ultra-High Energy Cosmic Rays detection
我们提出了第一次测量的微波辐射的电子束诱导的空气等离子体，在阿贡国家实验室的电子范德格拉夫设施进行。相干无线电切伦科夫，在以前的光束实验的主要背景，是不是由3兆电子伏的光束，这简化了数据的解释产生。无线电发射在3和12 GHz之间的广泛频率范围内进行了研究。这种测量提供了进一步的洞察微波辐射从广泛的空气淋浴作为一种新的检测技术的超高能宇宙射线。
2011-08-31 astro-ph.HE hep-ex physics.ins-det
Ultra-low-phase-noise cryocooled microwave dielectric-sapphire-resonator oscillators with 1 x 10^-16 frequency instability
两个名义上相同的超稳定低温微波振荡器进行了比较。每一个都采用了一个介质蓝宝石谐振器冷却到近6 K的超低振动低温恒温器使用低振动脉冲管制冷机。在11.2 GHz载波上，单个振荡器的相位噪声在1 Hz偏移处测量为-105 dBc/Hz。振荡器的分数频率稳定度的特征在于，在积分时间为0.1 s < tau < 1000 s的情况下，阿伦偏差为5.3 x 10^-16 tau^-1/2 + 9 x 10^-17，并且受到低于1 x 10^-16的闪烁频率噪声基底的限制。这一结果优于任何其他微波源，甚至是那些从光梳锁相到室温超稳光腔产生的微波源。
2012-03-06 physics.ins-det
Tests of Sapphire Crystals Produced with Different Growth Processes for Ultra-stable Microwave Oscillators
我们提出了8-12 GHz的回音壁模式谐振器加工在高品质的蓝宝石晶体与不同的生长技术阐述的表征。这些微波谐振器旨在构成超稳定低温蓝宝石振荡器的参考频率。我们对这些晶体进行了系统的测试，以确定在8-12 GHz的频率范围内的回音壁模式的无载Q因子和翻转温度。这些表征表明，用热交换或泡生法生长技术加工的高质量蓝宝石晶体都适合于满足对于1秒至10.000秒的积分时间优于1 × 10 -15的分数频率稳定性。
2015-04-10 physics.ins-det
Comparison of ultra-stable radio frequency signals synthesized from independent secondary microwave frequency standards
介绍了采用超低振动脉冲管制冷机技术从微波低温蓝宝石振荡器合成的1 GHz、100 MHz和10 MHz信号的相位噪声和频率稳定度测量。我们目前的测量数据，使用独立的低温振荡器的100 MHz和10 MHz的合成信号，而以前我们只估计的残余相位噪声测量的基础上，当只有一个低温振荡器可用的预期结果。此外，我们提出了一个1 GHz的频率合成器的设计，使用Crystek压控振荡器相位锁定到1 GHz的输出来自低温蓝宝石振荡器。
2013-02-01 physics.ins-det
Ultra-low phase noise all-optical microwave generation setup based on commercial devices
在本文中，我们提出了一个非常简单的设计，基于商业设备的全光产生超低相位噪声微波信号。将商用光纤飞秒激光器锁定到稳定于商用ULE法布里-珀罗腔的激光器。从飞秒激光器输出中提取的10 GHz微波信号在1 Hz傅立叶频率处呈现出单边带相位噪声$\mathcal{L}(f)=-104 \ \mathrm{dBc}/\mathrm{Hz}$，其处于用这种“微波光子学”实验室实验\cite{Fortier2011}获得的最佳值的水平。接近载波的超低相位噪声微波信号现在将在频率计量领域以外的实验室中提供，为各个领域开辟了新的可能性。
2015-03-20 physics.ins-det physics.optics
A compact, thermal noise limited reference cavity for ultra-low noise microwave generation
我们展示了一个易于制造的，25毫米长的超稳定的光学参考腔的可移动的光子微波发生系统。采用对挤压力一阶不敏感的刚性保持几何形状和在室温下改善热噪声极限的腔几何形状，我们观察到一个激光相位噪声，几乎是热噪声限制为三个频率十年（1 Hz至1 kHz偏移），并支持10 GHz生成，相位噪声在1 Hz偏移时接近-100 dBc/Hz，在所有>600 Hz偏移时<-173 dBc/Hz。分数频率稳定度在0.1 s平均时达到$2\times10^{-15}$。
2017-01-06 physics.ins-det physics.optics
Ultraviolet, Optical, and Near-IR Microwave Kinetic Inductance Detector Materials Developments
我们已经制作了2024像素微波动力学电感探测器（MKID）阵列在紫外/光学/近红外（UVOIR）制度，目前正在使用的天文仪器。为了使MKID对于新型仪器是理想的，需要制造具有近乎完美产率的较大阵列。然而，随着阵列尺寸的增加，由于读出中的频率冲突，成品率百分比常常降低。还必须提高每像素性能，即能量分辨率。我们正在研究如何通过新的超导材料系统和制造技术来减少频率碰撞并提高我们设备的每像素性能。我们目前正在探索两条主要路线。首先，我们试图通过使用原子层沉积而不是更传统的溅射方法来创建更均匀的氮化钛薄膜。此外，我们正在试验用于MKID的全新材料系统，例如硅化铂。
2014-12-01 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Design of deeply cooled ultra-low dissipation amplifier and measuring cell for quantum measurements with a microwave single-photon counter
本文面向基于超导磁通量子比特的微波单光子计数器，设计10 mK下的低反作用深冷放大器与测量池，实现每只HEMT仅1 μW耗散，并在450 MHz获得15 dB仿真增益。
2023-09-25 physics.ins-det quant-ph
