論文の概要: Dark Matter Detection through Rydberg Atom Transducer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.23337v1
• Date: Tue, 24 Mar 2026 15:39:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-25 19:53:37.563686
• Title: Dark Matter Detection through Rydberg Atom Transducer
• Title（参考訳）: Rydberg Atom Transducerによる暗黒物質検出
• Authors: J. F. Chen, Haokun Fu, Christina Gao, Jing Shu, Geng-Bo Wu, Peiran Yin, Yi-Ming Zhong, Ying Zuo,
• Abstract要約: 本研究では,ハロスコープ,Rydberg-atom Transducer,超伝導ナノワイヤ単光子検出を統合したハイブリッド検出アーキテクチャを提案する。 我々は, アクチオン-光子結合$g_a sim 10-13, mathrmGeV-1$ at $m_a sim 0.4,textmeV$に対して感度を予測し, QCDアクチオンバンドに到達した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.3887643830245686
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Ultralight bosonic dark matter with masses in the meV range, corresponding to terahertz (THz) Compton frequencies, remains largely unexplored due to the difficulty of achieving both efficient signal conversion and single-photon-sensitive detection at THz frequencies. We propose a hybrid detection architecture that integrates a dielectric haloscope, Rydberg-atom transducer, and superconducting nanowire single-photon detection within a unified cryogenic platform operating at $\lesssim 1\,\text{K}$. The dielectric haloscope converts dark matter into THz photons via phase-matched resonant enhancement, achieving form factors $C \sim 0.4$ and loaded quality factors $Q_L \sim 10^4$. A cold $^{87}$Rb ensemble then coherently up-converts the THz signal to the optical domain through six-wave mixing among Rydberg states. The intrinsic directionality and narrow bandwidth ($Δν_{\mathrm{atomic}} \sim 1\,\text{MHz}$) of this process provide extra suppression of isotropic thermal backgrounds. With 10 days of integration at $0.3\,\text{K}$, we project sensitivity to the axion-photon coupling $g_{aγγ} \sim 10^{-13}\,\mathrm{GeV}^{-1}$ at $m_a \sim 0.4\,\text{meV}$, reaching the QCD axion band and opening the THz window for searches of both axion and dark photon dark matter.
• Abstract（参考訳）: テラヘルツ (THz) コンプトン周波数に対応するMeV帯の質量を持つ超軽量ボソニック暗黒物質は、効率的な信号変換とTHz周波数での単一光子感度検出の両立が困難であるため、ほとんど探索されていない。 本稿では, 誘電体ハロスコープ, Rydberg-atom Transducer, 超伝導ナノワイヤ単光子検出を, $\lesssim 1\,\text{K}$で動作させるハイブリッド検出アーキテクチャを提案する。 誘電体ハロスコープは、ダークマターを位相整合共振器強化によりTHH光子に変換し、フォームファクターを$C \sim 0.4$、ロードクオリティファクターを$Q_L \sim 10^4$とする。 コールド$^{87}$Rbアンサンブルは、Rydberg状態間の6波長混合により、THz信号を光領域にコヒーレントにアップコンバートする。 この過程の固有方向性と狭帯域(Δν_{\mathrm{atomic}} \sim 1\,\text{MHz}$)は、等方的熱背景を余分に抑制する。 10日間の統合を$0.3\,\text{K}$で行うと、軸-光子結合の感度を$g_{aγγ} \sim 10^{-13}\,\mathrm{GeV}^{-1}$ at $m_a \sim 0.4\,\text{meV}$で予測し、QCD軸索帯に到達して、軸と暗光子の暗黒物質の探索のためにTHzウィンドウを開く。

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