論文の概要: Highly Excited Electron Cyclotron for QCD Axion and Dark-Photon Detection
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.05549v1
- Date: Mon, 7 Oct 2024 23:20:18 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-11-01 18:08:20.497787
- Title: Highly Excited Electron Cyclotron for QCD Axion and Dark-Photon Detection
- Title（参考訳）: QCDアキシオンと暗光子検出のための高励起電子サイクロトロン
- Authors: Xing Fan, Gerald Gabrielse, Peter W. Graham, Harikrishnan Ramani, Samuel S. Y. Wong, Yawen Xiao,
- Abstract要約: 我々は、閉じ込められた電子の高励起サイクロトロン状態を用いて、MeVアキシオンとダークフォトンダークマターを検出することを提案する。
我々はサイクロトロン検出に必要な平均測定時間を10～6秒に抑え、崩壊前の高励起状態の検出を可能にした。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.151469999729297
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We propose using highly excited cyclotron states of a trapped electron to detect meV axion and dark photon dark matter, marking a significant improvement over our previous proposal and demonstration [Phys. Rev. Lett. 129, 261801]. When the axion mass matches the cyclotron frequency $\omega_c$, the cyclotron state is resonantly excited, with a transition probability proportional to its initial quantum number, $n_c$. The sensitivity is enhanced by taking $n_c \sim 10^6 \left( \frac{0.1~\text{meV}}{\omega_c} \right)^2$. By optimizing key experimental parameters, we minimize the required averaging time for cyclotron detection to $t_{\text{ave}} \sim 10^{-6} $ seconds, permitting detection of such a highly excited state before its decay. An open-endcap trap design enables the external photon signal to be directed into the trap, rendering our background-free detector compatible with large focusing cavities, such as the BREAD proposal, while capitalizing on their strong magnetic fields. Furthermore, the axion conversion rate can be coherently enhanced by incorporating layers of dielectrics with alternating refractive indices within the cavity. Collectively, these optimizations enable us to probe the QCD axion parameter space from 0.1 meV to 2.3 meV (25-560 GHz), covering a substantial portion of the predicted post-inflationary QCD axion mass range. This sensitivity corresponds to probing the kinetic mixing parameter of the dark photon down to $\epsilon \approx 2 \times 10^{-16}$.
- Abstract（参考訳）: 我々は、捕捉された電子の高励起シクロトロン状態を用いて、MeVのアキシオンとダークフォトンダークマターを検出することを提案し、我々のこれまでの提案と実証 [Phys. Rev. Lett. 129, 261801] を大きく改善した。
アクシオン質量がサイクロトロン周波数$\omega_c$と一致するとき、サイクロトロン状態は共鳴的に励起され、遷移確率はその初期量子数$n_c$に比例する。
感度は$n_c \sim 10^6 \left( \frac{0.1~\text{meV}}{\omega_c} \right)^2$で向上する。
鍵となる実験パラメータを最適化することにより、サイクロトロン検出に必要な平均時間を $t_{\text{ave}} \sim 10^{-6} $ seconds に最小化し、崩壊前の高励起状態の検出を可能にする。
オープン・エンドキャップ・トラップの設計により、外部光子信号をトラップに向けることができ、BREAD提案のような大きな焦点を絞ったキャビティに背景のない検出器を適合させながら、強磁場に乗じることができる。
さらに、キャビティ内に屈折率の交互な誘電体層を組み込むことで、軸変換率をコヒーレントに向上させることができる。
これらの最適化により、予測されたQCD質量範囲のかなりの部分をカバーし、0.1 meVから2.3 meV (25-560 GHz)までQCD軸パラメータ空間を探索することができる。
この感度は、暗光子の運動的混合パラメータを$\epsilon \approx 2 \times 10^{-16}$とするものである。
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