Two distinct mysteries in understanding of our universe can be resolved by a hypothetical pseudo-scalar particle called axion. Since Peccei and Quinn gave birth to axion tailored to solve the strong CP problem, many models have been ruled out, yet invisible models such as KSVZ and DFSZ still survive and wait for the discovery. Provided by its extremely weak interaction with the standard model particles, axions in a particular mass range are promising candidate of dark matter, and such axions are called the axion dark matter. Pierre Sikivie suggested a novel way of detecting axion dark matter with a microwave cavity resonator in a strong magnetic field. The experiments with the Sikivie’s direct detection method are called axion haloscope, which are considered to be the most sensitive experiments for detecting axion and axion-like particles.
It’s been more than twenty years since the first ever axion haloscope was operational, and only very recently axion dark matter experiments such as CAPP-12TB axion haloscope have reached its sensitivity to DFSZ axion witch certain axion mass ranges. In this thesis I will introduce methodologies and experiences of the CAPP-8TB and CAPP-12TB experiments.
우주의 서로다른 두 개의 큰 미스터리가 하나의 가상의 입자를 통해 해결될 수 있는데, 이러한 입자를 액시온이라고 한다. Peccei 와 Quinne 이 strong CP 문제를 해결하기 위해 처음 세상에 내놓은 액시온은, KSVZ 혹은 DFSZ와 같은 이른바 볼 수 없는 모델들을 통해 존재할 수 있으며 현재까지도 실험적인 검증을 기다리고 있다. 볼 수 없는 액시온이라는 별명은 표준 모형의 입자들과의 너무나도 약한 상호작용으로 인하여 붙여지게 되었는데, 이러한 특징으로 인해 특정 질량 영역의 액시온은 강력한 암흑물질의 후보가 되기도 하며, 이러한 액시온을 액시온 암흑물질이라고 부른다. Pierre Sikivie는 마이크로파 공진기를 이용해 액시온 혹은 액시온같은 입자를 검출하는 방법을 제안하였다. Sikivie 효과 혹은 역 프리마코프 효과라 불리는 이러한 효과를 이용하여 액시온과 같은 입자를 탐색하는 실험을 액시온 헤일로스코프 실험이라고 부르며, 현재 이러한 입자들에 가장 좋은 민감도를 가질 수 있는 실험으로 손꼽히고 있다. 첫 번째 액시온 헤일로스코프 실험이 운용된 지 20년 이상이 지난 현재는 CAPP-12TB를 비롯한 소수의 실험들이 특정한 질량 영역에서 DFSZ 액시온까지의 민감도를 가지고 실험을 진행하고 있다. 이 논문에서는 IBS-CAPP 에서 진행된 CAPP-8TB, CAPP-12TB 액시온 헤일로스코프 실험의 전반적인 설계와 운용, 그리고 이를 위한 선행연구를 소개한다.
