HAYSTAC 轴子搜寻的初步结果

轴子是一个有充分动机的冷暗物质（CDM）候选者，最初被假定用以解释强相互作用中 $CP$ 破坏的缺失。CDM 轴子可通过在“晕镜（haloscope）”探测器中的共振转换为光子来探测：一种保持在低温下的可调高-$Q$ 微波腔，浸没于强磁场中，并耦合到低噪声接收机。本论文报道了 Haloscope at Yale Sensitive to Axion CDM（HAYSTAC）的设计、调试与首次运行，这是一种为搜寻质量高于 $20$ $\mu\mathrm{eV}$ 的 CDM 轴子而设计的新探测器。我还描述了从首次 HAYSTAC 数据运行推导轴子 CDM 限制的分析流程，其在质量范围 $23.55 < m_a < 24.0$ $\mu\mathrm{eV}$ 内排除了双光子耦合 $g_{a\gamma\gamma} \gtrsim 2\times10^{-14}$ $\mathrm{GeV}^{-1}$ 的轴子模型，该限制比基准 KSVZ 模型高 2.3 倍。这一结果代表了两项重要成就。首先，它展示了比任何现有直接限制质量高一个数量级的宇宙学相关灵敏度。其次，通过引入稀释制冷机和约瑟夫森参量放大器，HAYSTAC 首次在晕镜轴子搜寻中展示了接近标准量子极限的总噪声。