Collaborative Research: HAYSTAC Sub-Quantum

合作研究:HAYSTAC 次量子

基本信息

  • 批准号:
    1914116
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

All astrophysical and cosmological data now point convincingly to a large component of Cold Dark Matter in the Universe, whose presence we only infer gravitationally. A well-motivated candidate for Dark Matter is a light axion. Axions have been introduced to explain the smallness of the violation of the Charge-Parity (CP) symmetry in Quantum ChromoDynamics, the theory describing the action of the strong force. Dark matter axions may be detected through their conversion into a narrow Radio Frequency (RF) signal in a microwave-cavity resonator permeated by a magnetic field. This Yale-Berkeley-Colorado collaboration came together to design, build and operate an advanced technology experiment, HAYSTAC, to serve both as an innovation test-bed to develop new cavity designs and quantum-limited photon detection schemes, and as a pathfinder to take first data in the 10 - 50 micro-eV mass range, well above all previous such searches for axions. R&D on superconducting thin-films, and sub-quantum-limited photon detection will certainly produce unanticipated spin-offs, just as the NSF-supported development of the Microstrip SQUID Amplifier for axions did in the quantum information world. HAYSTAC has already proven to be a great attractor for young talent, more than half being women; this award can only be expected to extend this record. In addition, it is planned to establish a rotating exhibit on dark-sector science at the San Francisco Exploratorium utilizing prototypes and artifacts from many of the historic dark sector and cosmic microwave background experiments.Short of finding the axion, HAYSTAC has been extraordinarily successful. During the past three-year period, the experiment has achieved essentially quantum-limited operation (no other experiment has come within an order of magnitude). In preparation for Phase II, Berkeley has designed and built a microwave cavity with a high figure of merit for the 6 - 12 GHz range (~ 25 - 50 micro-eV). Colorado has designed, built and characterized a squeezed-vacuum state receiver, now being commissioned in HAYSTAC - it will be the first-ever sub-quantum receiver for a dark-matter experiment, and with LIGO the first squeezed-state receivers for data production in the world of fundamental physics. Furthermore, the group will produce a first cavity prototype incorporating planar thin-films of NbTiN, a Type-II superconductor, to achieve a boost in quality factor Q by an order of magnitude, a gain that would map directly into mass scan rate. Each of these innovations dramatically enhances the discovery potential of HAYSTAC.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
现在,所有天体物理和宇宙学数据都令人信服地指向了宇宙中冷暗物质的很大一部分,我们的存在我们只会在重力上推断。 动机的暗物质候选者是光轴。已经引入了斧头来解释量子染色体动力学中违反电荷 - 差异(CP)对称性的较小程度,该理论描述了强力的作用。可以通过将磁场渗透的微波腔谐振器中的微波炉谐振器中转换为狭窄的射频(RF)信号来检测到暗物质轴。耶鲁·贝克利 - 科罗拉多(Yale-Berkeley-Colorado)的合作汇集在一起​​,设计,构建和运营高级技术实验Haystac,既可以用作创新测试床,旨在开发新的空腔设计和量子限制的光子检测方案,并作为探索者,以及以前的10-50 micro-ev质量范围中的第一个数据,远高于所有此类搜索。在超导薄膜上的研发和亚量子限制的光子检测肯定会产生意外的衍生产品,就像NSF支持的轴支轴上在量子信息世界中所做的轴轴的发展一样。 Haystac已经被证明是年轻才华的伟大吸引者,一半以上是女性。只能期望该奖项扩展此记录。此外,还计划在旧金山探险室建立一个关于黑暗部门科学的旋转展览,利用许多历史悠久的黑暗部门和宇宙微波背景实验的原型和文物。找到轴心,Haystac已获得了非常成功的成功。在过去的三年中,该实验基本上实现了量子限制的操作(没有其他实验在数量级内)。为了准备第二阶段,伯克利设计并建造了一个微波腔,其功绩高6-12 GHz范围(〜25-50 micro -ev)。科罗拉多州已经设计,建造和表征了一个挤压的现状接收器,现在在海斯塔克进行了委托 - 它将是有史以来第一个用于黑暗效果实验的亚量子接收器,而Ligo则是第一个挤压状态接收器,用于世界基本物理学的世界数据生产。此外,该组将产生第一个腔原型,该原型融合了II型超导体NBTIN的平面薄膜,以通过质量因子Q的增强级数量级来增强质量因子Q,这将直接映射到大规模扫描速率中。这些创新中的每一个都大大提高了Haystac的发现潜力。该奖项反映了NSF的法定任务,并使用基金会的知识分子优点和更广泛的影响评估标准,被认为值得通过评估来获得支持。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Improved analysis framework for axion dark matter searches
改进的轴子暗物质搜索分析框架
  • DOI:
    10.1103/physrevd.101.123011
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Palken, D. A.;Brubaker, B. M.;Malnou, M.;Kenany, S. Al;Backes, K. M.;Cahn, S. B.;Gurevich, Y. V.;Lamoreaux, S. K.;Lewis, S. M.;Maruyama, R. H.
  • 通讯作者:
    Maruyama, R. H.
Squeezed Vacuum Used to Accelerate the Search for a Weak Classical Signal
  • DOI:
    10.1103/physrevx.9.021023
  • 发表时间:
    2019-05-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.5
  • 作者:
    Malnou, M.;Palken, D. A.;Lehnert, K. W.
  • 通讯作者:
    Lehnert, K. W.
A quantum enhanced search for dark matter axions
  • DOI:
    10.1038/s41586-021-03226-7
  • 发表时间:
    2021-02-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Backes, K. M.;Palken, D. A.;Wang, H.
  • 通讯作者:
    Wang, H.
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