The axion is a hypothetical particle proposed to solve the strong CP problem in quantum chromodynamics of particle physics and possesses a cosmological implication as cold dark matter if its mass falls in a certain range. A conventional axion dark matter search experiment employs a microwave resonant cavity in a strong magnetic field to enhance the feeble signal. To explore high mass regions, a multiple-cavity design has been considered to increase the detection volume for a given magnet bore. We propose a new cavity design, referred to as multiple-cell cavity, to provide a highly efficient approach to high mass regions compared to the multiple-cavity design, by means of larger detection volume, simpler detector setup, and unique phase-matching mechanism. We discuss the characteristics of this concept and demonstrate the experimental feasibility. We also present the first results of a search for invisible axion dark matter using a double-cell cavity and set new limits on the axion-photon coupling over the mass range between 13.0 and 13.9$\,\mu$eV. The results not only demonstrates the novelty of the cavity concept for high-mass axion searches, but also suggests it can make considerable contributions to the next-generation experiments.
액시온은 입자 물리학의 양자 색 역학에서 CP 문제를 해결하기 위해 제안된 가상의 입자이며 특정 범위의 질량을 가지면 차가운 암흑 물질로서 우주론적 의미를 지니게 된다. 암흑 물질 액시온 탐색 실험은 강한 자기장하에서 마이크로파 공진기의 공명을 이용하여 그 미약한 신호를 증대시킨다. 기존에 고질량 영역대을 탐색하기 위해 주어진 자석 구경에 대해 검출부피를 늘이는 방법으로 다중 공진기가 고려되었다. 우리는 다중 공진기에 비해 고질량 영역에서 보다 효율적인 접근 방식을 제공하는 이른바 다중방 공진기를 제안한다. 이 디자인은 검출부피를 크게하고, 수신회로를 간단히 하며, 독특한 방식의 위상 맞춤 메커니즘을 제공하는 등 많은 이점들이 있다. 본 논문에서 이 새로운 공진기의 개념 및 특성에 대해 논의하고 실험적 타당성을 입증한다. 또한 이중방 공진기를 사용하여 암흑 물질 액시온을 탐색한 첫 번째 실험결과를 보여주고 $13.0 \sim 13.9\,\mu$eV 사이의 질량 범위에서 액시온과 광자의 커플링에 대한 새로운 한계를 설정한다. 본 결과는 다중방 공진기가 고질량의 액시온 탐색을 위한 참신한 제안임을 보여줄 뿐만 아니라 차세대 실험에 상당한 기여를 할 수 있음을 시사한다.
