액시온은 매우 강력한 암흑물질 후보이며 자기장과 상호작용하여 전자기파로 변환되는 것으로 알려져 있다. 최근 우주론 연구에서는 고질량 액시온 암흑물질을 선호하는 경향이 있다. 그런데 고질량 액시온 영역은 탐색 주파수가 높고 (~5GHz), 이에 상응하는 검출기 부피가 작아지기 때문에 신호대잡음비가 높은 탐색을 하기 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 우리학교 유종희 교수 연구팀은 액시온 암흑물질 탐색을 위해 18T에 달하는 초강력 고온초전도 마그넷과 초전도양자증폭기를 사용하여 액시온과 자기장 간의 상호작용을 극대화했다. 유종희 교수 연구팀은 고자기장 극저온 검출기의 안정성을 획기적으로 개선했으며, 이를 통해 우리학교 명예교수인 김진의 교수가 1979년 제안한 액시온 모형인 KSVZ 매개변수 영역을 고질량 영역에서 최초로 돌파하는 성과를 내었다.

We report an extended search for the axion dark matter using the CAPP18T haloscope. The CAPP18T experiment adopts innovative technologies of a high-temperature superconducting magnet and a Josephson parametric converter. The total system noise temperature is ∼0.6 K. The scan frequency range is from 4.8077 to 4.8181 GHz. The results set the best upper bound of the axion-photon-photon coupling in the mass ranges of 19.883 to 19.926 μeV at ∼0.7 × KSVZ or ∼1.9 × DFSZ with 90% confidence level. The results demonstrate that a reliable search of the high-mass dark matter axions can be achieved beyond the benchmark models using the technology adopted in CAPP18T. 

이 연구 결과는 Physical Revew Letters지에 8월 24일 발표 되었다.

PRL 131, 081801 (2023) https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.081801