Axion, a hypothetical particle originally emerging from a proposed solution to the strong CP problem of particle physics, is one of the favored candidates addressing the dark matter puzzle. This work explains the design and operation of a axion haloscope sensitive to masses around 24.5 µeV at Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov (KSVZ) sensitivity. A unique 8-cell cavity, used for the first time in search of KSVZ axions, is cooled down to 40 mK within a magnetic field of 8 T. The expected axion signal resonating with the TM010-like mode of the cavity is picked up using an antenna and transferred to the readout chain. Implementing a flux-pumped Josephson parametric amplifier with 20 dB gain as the first stage of amplification, the system noise temperature was estimated to be 450 mK, corresponding to 1.6 photons. This work resulted in the exclusion of dark matter axion masses from 2.4111 µeV to 2.4565 µeV for axion two-photon couplings gaγγ > 1.3 GeV$^{−1}$ using data taken between December 2021 and September 2022. This is the largest region covered at such high sensitivities by a single haloscope experiment operating above 1 GHz to date.
입자물리학의 강한 CP 문제의 해결책으로 제시된 가상의 입자 액시온은 암흑 물질 난제를 설명하는 유력한 후보중의 하나이다. 이 연구는 Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov (KSVZ) 감도에서 24.5 µeV 질량 근처를 탐색하는 액시온 헤일로스코프 실험의 설계슨와 운용을 설명한다. 이 실험에서, KSVZ 액시온 탐색에 최초로 사용된 고유한 8-셀 공진기는 8 T의 자기장하에서 40 mK 까지 냉각되었다. 예상되는 액시온 신호는 이 공진기의 유사 TM010 모드와 공진하, 안테나를 통해 검출되어 리드아웃 체인으로 전송된다. 첫 증폭 단계에 사용된 20 dB 이득의 자속 펌프 조셉슨 파라메트릭 증폭기를 구현하여 시스템의 잡음 온도는 450 mK 으로 추정되는데, 이는 1.6개의 광자에 해당한다. 이 연구는 2021년 12월부터 2022년 9월까지의 실험 데이터를 사용하여, 질량 범위 2.4111 µeV 에서 2.4565 µeV 사이에서 액시온과 두개의 광자 결합 gaγγ > 1.3 GeV$^{−1}$ 의 액시온 암흑 물질 존재를 배제하였다. 이 결과는 현재까지 1 GHz 이상에서 실험하는 단일 헤일로스코프 실험 중, 해당 감도에서 가장 넓은 질량 범위를 탐색한 결과이다.
