轻暗物质搜寻与能谱学——简要综述及一种实验技术

本文简要综述轻暗物质粒子及其能谱学，特别旨在理解轴子与类轴子粒子(ALPs)与物质的相互作用机制，并给出探测这些难以捉摸粒子的 interim 方案与若干设想。为涉足这些搜寻中涉及的高度挑战性能谱区域与极弱信号(尤其是 DFSZ 轴子)，我们提出了一种不同于传统谐振腔质量扫描与外差探测方法的新方案。我们旨在寻找固定质量的轴子场，并使用简单的相敏直流探测方法将搜寻集中于相应谐振频率及其高次谐波，这可能有助于大幅减少硬件、实验复杂度与长运行时长。本文模型建议的可能质量范围始于 22.5microeV(对应 5.4GHz 谐振频率)，直至其两倍 90 与 112.5microeV(分别对应 24.3 与 27.0GHz 频率)，在这些质量值附近发现轴子或 ALP 的概率较高。我们基于该模型提出了一种综合测量策略与能谱技术，围绕三级放大与相敏探测方案，以在相干 Primakoff 效应相互作用下最大化并探测轴子与 U(1) 场的谐振耦合。通过若干计算、模拟与初步测试证明了所提方案的可行性。本文报道的实验技术与设想具有显著潜力，可发展为极高灵敏度的窄范围暗物质轴子/ALP 能谱实验。