Avançando na detecção de axions baseados em átomos de Rydberg

Matéria escura é o nome que damos aos 84% da matéria no universo que interage através da gravidade, mas de forma negligenciável com qualquer uma das outras forças conhecidas. Um modelo convincente para a matéria escura é o axion, pois resolve simultaneamente a existência da matéria escura e o problema do CP forte em QCD. O experimento tradicional de axion é chamado de haloscópio, que consiste em um forte campo magnético, uma cavidade de micro-ondas para aumentar ressonantemente o fóton convertido, e um amplificador de baixo ruído para aumentar o inevitavelmente pequeno sinal. Este relato discute o desenvolvimento do RAY (átomos de Rydberg para axions em Yale), um detector de fótons únicos que pode ser integrado em um haloscópio padrão. Um grande desafio das buscas por axions em massas mais altas é que o tempo necessário se torna cada vez mais longo devido ao menor sinal e ao aumento do ruído quântico ao utilizar um haloscópio padrão. Eliminando esse ruído quântico, pode-se conseguir a contagem de fótons únicos usando átomos de Rydberg de Potássio-39. Usar um feixe de átomos de Rydberg para detectar os fótons gerados através do efeito Primakoff tornaria a busca por axions em massas mais altas (> 50 µeV) viável. Realizamos trabalhos iniciais em direção a esse objetivo usando transparência induzida eletromagneticamente. Dependendo da cavidade do haloscópio à qual este esquema está ligado, podemos ser capazes de medir massas na faixa de 20-30 GHz com sensibilidade KSVZ em 5 anos em uma cavidade sintonizável padrão, ou 10-50 GHz com sensibilidade KSVZ em 5 anos em um ressonador com volume independente da frequência.