In this dissertation, we present the result of axion haloscope cavity experiment with ultra-low noise and an advanced scanning method around 2.3 GHz. Axion is a pseudo-scalar particle originally introduced to explain strong CP problem. The identification of the axion is important because it is also a good dark matter candidate. The Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) of IBS at KAIST Munji Campus is launching a microwave axion search experiment, aiming 2.27 – 2.30 GHz region. For cavity experiments it is critical to minimize system noise because of the small expected power of axion signal, which is in order of $10^{-23}$ W at GHz scale. For this purpose, we introduce Josephson Parametric Amplifier (JPA) of which the noise can go down to quantum noise level. After implementing JPA to the system the total noise is estimated to be 204 mK, which corresponds to less than two noise photon number at given frequency. Together with controlled ultra-low noise and OFHC copper cavity the experimental run is done under 8 T magnetic field. In addition, we propose a scanning method based on a new axion candidate criterion, which boosts the scan speed by around 26%. As a result, we exclude axion parameter map above 2.7 KSVZ coupling strength in 9.3906 – 9.5130 μeV axion mass range with 90% confidence level.
이 논문에서는 발전된 스캔 기법이 적용된, 초저잡음 환경 하에 2.3 GHz 근방에서의 액시온 헤일로스코프 캐비티 실험을 다루었다. 액시온은 강한 상호작용의 CP 문제를 해결하기 위해 도입된 유사스칼라 입자이다. 액시온은 또한 좋은 암흑물질 후보이기 때문에, 이를 규명하는 것은 중요하다. 이에 카이스트 문지캠퍼스에 위치한 액시온 및 극한상호작용 연구단 (IBS/CAPP)에서는 2.27 - 2.30 GHz 영역을 목표로 하는 마이크로파 액시온 실험이 진행되었다. 해당 주파수의 캐비티 실험에서 액시온 신호는 $10^{-23}$ W 규모의 매우 작은 세기를 가질 것으로 예상되므로, 잡음을 최소화하는 실험 환경을 만드는 것이 중요하다. 이러한 목적에서, 잡음을 양자 영역까지 줄일 수 있는 조셉슨 파라메트릭 증폭기 (JPA)를 도입했다. 그 결과 잡음 광자 개수를 2개 미만으로 줄여 총잡음이 204 mK이 되었으며, 해당 환경에서 OFHC 구리 캐비티와 8 T 자석을 이용해 실험을 수행했다. 이에 더하여 새로운 액시온 후보 검출 기준에 기반한 스캔 기법을 활용해 스캔 속도를 26% 향상시켰다. 최종적으로, 9.3906 – 9.5130 μeV의 질량 영역 내에 액시온이 존재하지 않음을 2.7 KSVZ의 민감도와 90%의 신뢰도를 갖고 확인했다.
