[论文解读] A proposal for a low-frequency axion search in the 1-2 $μ$eV range and below with the BabyIAXO magnet

Saiyd Ahyoune, Alejandro Álvarez Melcón+28 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy参考文献 70被引用 3

一句话总结

本文提出将BabyIAXO超导磁体用作低频轴子偶极子探测器，以搜索1–2 µeV质量范围及以下的轴子，采用四个可调谐的5米长微波腔体和LC电路装置。在440天有效曝光后，RADES计划对轴子-光子耦合$g_{a\gamma}$的灵敏度达到KSVZ模型水平，覆盖了参数空间中尚未探索的区域。

ABSTRACT

In the near future BabyIAXO will be the most powerful axion helioscope, relying on a custom-made magnet of two bores of 70 cm diameter and 10 m long, with a total available magnetic volume of more than 7 m$^3$. In this document, we propose and describe the implementation of low-frequency axion haloscope setups suitable for operation inside the BabyIAXO magnet. The RADES proposal has a potential sensitivity to the axion-photon coupling $g_{aγ}$ down to values corresponding to the KSVZ model, in the (currently unexplored) mass range between 1 and 2$~μ$eV, after a total effective exposure of 440 days. This mass range is covered by the use of four differently dimensioned 5-meter-long cavities, equipped with a tuning mechanism based on inner turning plates. A setup like the one proposed would also allow an exploration of the same mass range for hidden photons coupled to photons. An additional complementary apparatus is proposed using LC circuits and exploring the low energy range ($\sim10^{-4}-10^{-1}~μ$eV). The setup includes a cryostat and cooling system to cool down the BabyIAXO bore down to about 5 K, as well as appropriate low-noise signal amplification and detection chain.

研究动机与目标

• 探索1–2 µeV轴子质量范围内的未探索参数空间，该范围内的轴子可能构成暗物质。
• 利用BabyIAXO磁体的大体积、高质量磁场区域进行偶极子探测器形式的轴子探测，将科学探测范围扩展至日球望远镜之外。
• 开发并验证适用于偶极磁体构型的新型腔体和LC电路设计，区别于传统的螺线管型偶极子探测器。
• 实现对低能区轴子和隐光子的探测灵敏度，扩展实验的探测范围。

提出的方法

• 设计并实现四个尺寸不同的5米长微波腔体，腔内配备可调谐转盘，实现100–500 MHz频率范围内的精确调谐。
• 采用杜瓦瓶和冷却系统将磁体孔径温度降低至约5 K，最大限度减少探测链路中的热噪声。
• 采用低噪声放大和检测系统，包括低电压噪声晶体管（如GaAs PHEMTs），以提高信噪比。
• 将RADES项目先前在CAST实验中验证过的腔体技术，适配至BabyIAXO更大的长孔径结构。
• 设计基于LC电路的装置，采用矩形和环形线圈，探测极低质量范围（约10⁻⁴–10⁻¹ µeV），将灵敏度扩展至当前偶极子探测器阈值以下。
• 将偶极子探测装置集成至现有的BabyIAXO基础设施中，确保与磁体的低温和真空环境兼容。

实验结果

研究问题

• RQ1 BabyIAXO磁体能否被有效再利用为低频轴子偶极子探测器，以探测1–2 µeV轴子质量范围？
• RQ2 在偶极磁体几何构型下，何种腔体和调谐机制最有利于实现高Q值和共振频率控制？
• RQ3 如何在1–2 µeV范围内优化对轴子-光子耦合$g_{a\gamma}$的灵敏度，以达到KSVZ模型预测水平？
• RQ4 能否在BabyIAXO孔径中实现基于LC电路的探测装置，以将搜索范围扩展至100 neV以下的轴子质量？
• RQ5 在大型高场偶极磁体中运行偶极子探测器的技术和噪声限制是什么？如何加以缓解？

主要发现

• 在440天有效曝光后，RADES计划对轴子-光子耦合$g_{a\gamma}$的灵敏度达到KSVZ模型在1–2 µeV质量范围内的水平。
• 采用四个可调谐的5米长腔体并配备内侧调谐盘，可实现对目标质量范围的精确频率扫描。
• 所提出的杜瓦瓶和冷却系统可将磁体孔径温度降至约5 K，显著抑制热噪声，实现高灵敏度探测。
• 基于LC电路的装置在探测轴子质量低至~10⁻⁴ µeV方面具有可行性，将偶极子探测的覆盖范围延伸至此前未探索的低能区域。
• 将偶极子探测技术整合进BabyIAXO磁体在技术上是可行的，为发现1–2 µeV质量范围内的轴子（该范围在预暴胀宇宙学模型中被预测存在）提供了可行路径。
• 所提出的装置与ADMX和FLASH等现有实验互补，覆盖了尚未被探索的参数空间区域。