利用引力波探测器臂腔透射光束的轴子暗物质搜寻

轴子是超轻暗物质的一个有希望的候选者，它可能引致激光的偏振旋转。最近，有人提出了一种利用引力波探测器臂中光学线性腔探测轴子暗物质的新设想 [Phys. Rev. Lett. 123, 111301 (2019)]。本文重新审视了利用臂腔透射端口搜寻轴子暗物质的一种现实方案。由于透射端口探测到的光子在腔中经历了奇数次往返，轴子暗物质对其相位的影响不会被抵消，且与使用反射端口的搜寻相比，低质量区间的灵敏度显著提升。我们还考虑了轴子场的随机性质以及引力波探测器中两个探测端口的可用性。估计了地基引力波探测器（如 Advanced LIGO）在 1 年观测中对轴子-光子耦合 $g_{a\gamma}$ 的灵敏度，在轴子质量低于 $10^{-15}$ eV 时达到 $g_{a\gamma} \sim 3\times10^{-12}$ GeV$^{-1}$，这优于 CERN 轴子太阳望远镜所达成的极限。