Very weakly interacting slim particles (WISPs), such as axion-like particles (ALPs) or hidden photons (HPs), may be non-thermally produced via the misalignment mechanism in the early universe and survive as a cold dark matter population until today. We find that, both for ALPs and HPs whose dominant interactions with the standard model arise from couplings to photons, a huge region in the parameter spaces spanned by photon coupling and ALP or HP mass can give rise to the observed cold dark matter. Remarkably, a large region of this parameter space coincides with that predicted in well motivated models of fundamental physics. A wide range of experimental searches -- exploiting haloscopes (direct dark matter searches exploiting microwave cavities), helioscopes (searches for solar ALPs or HPs), or light-shining-through-a-wall techniques -- can probe large parts of this parameter space in the foreseeable future.

Axions and other very light axion-like particles appear in many extensions of the Standard Model, and are leading candidates to compose part or all of the missing matter of the Universe. They also appear in models of inflation, dark radiation, or even dark energy, and could solve some long-standing astrophysical anomalies. The physics case of these particles has been considerably developed in recent years, and there are now useful guidelines and powerful motivations to attempt experimental detection. Admittedly, the lack of positive signal of new physics at the high energy frontier, and in underground detectors searching for weakly interacting massive particles, is also contributing to the increase of the interest in axion searches. The experimental landscape is rapidly evolving, with many novel detection concepts and new experiments being proposed lately. An updated account of those initiatives is lacking in the literature. In this review we attempt to provide such a review. We will focus on the new experimental approaches and their complementarity, but will also review the most relevant recent results from the consolidated strategies and the prospects of new generation experiments under consideration in the field. We will also briefly review the latest developments of the theory, cosmology and astrophysics of axions and we will discuss the prospects to probe a large fraction of relevant parameter space in the coming decade.

Unlike the electroweak sector of the standard model of particle physics, quantum chromodynamics (QCD) is surprisingly symmetric under time reversal. As there is no obvious reason for QCD being so symmetric, this phenomenon poses a theoretical problem, often referred to as the strong CP problem. The most attractive solution for this requires the existence of a new particle, the axion-a promising dark-matter candidate. Here we determine the axion mass using lattice QCD, assuming that these particles are the dominant component of dark matter. The key quantities of the calculation are the equation of state of the Universe and the temperature dependence of the topological susceptibility of QCD, a quantity that is notoriously difficult to calculate, especially in the most relevant high-temperature region (up to several gigaelectronvolts). But by splitting the vacuum into different sectors and re-defining the fermionic determinants, its controlled calculation becomes feasible. Thus, our twofold prediction helps most cosmological calculations to describe the evolution of the early Universe by using the equation of state, and may be decisive for guiding experiments looking for dark-matter axions. In the next couple of years, it should be possible to confirm or rule out post-inflation axions experimentally, depending on whether the axion mass is found to be as predicted here. Alternatively, in a pre-inflation scenario, our calculation determines the universal axionic angle that corresponds to the initial condition of our Universe.

The ALPS collaboration runs a "Light Shining through a Wall" (LSW) experiment to search for photon oscillations into "Weakly Interacting Sub-eV Particles" (WISPs) often predicted by extensions of the Standard Model. The experiment is set up around a superconducting HERA dipole magnet at the site of DESY. Due to several upgrades of the experiment we are able to place limits on the probability of photon-WISP-photon conversions of a few 10^{-25}. These limits result in today's most stringent laboratory constraints on the existence of low mass axion-like particles, hidden photons and minicharged particles.

We propose a new strategy to search for dark matter axions in the mass range of $40--400\text{ }\ensuremath{\mu}\mathrm{eV}$ by introducing dielectric haloscopes, which consist of dielectric disks placed in a magnetic field. The changing dielectric media cause discontinuities in the axion-induced electric field, leading to the generation of propagating electromagnetic waves to satisfy the continuity requirements at the interfaces. Large-area disks with adjustable distances boost the microwave signal (10--100 GHz) to an observable level and allow one to scan over a broad axion mass range. A sensitivity to QCD axion models is conceivable with 80 disks of $1\text{ }\text{ }{\mathrm{m}}^{2}$ area contained in a 10 T field.

The International Axion Observatory (IAXO) will be a forth generation axion helioscope. As its primary physics goal, IAXO will look for axions or axion-like particles (ALPs) originating in the Sun via the Primakoff conversion of the solar plasma photons. In terms of signal-to-noise ratio, IAXO will be about 4–5 orders of magnitude more sensitive than CAST, currently the most powerful axion helioscope, reaching sensitivity to axion-photon couplings down to a few × 10−12 GeV−1 and thus probing a large fraction of the currently unexplored axion and ALP parameter space. IAXO will also be sensitive to solar axions produced by mechanisms mediated by the axion-electron coupling gae with sensitivity — for the first time — to values of gae not previously excluded by astrophysics. With several other possible physics cases, IAXO has the potential to serve as a multi-purpose facility for generic axion and ALP research in the next decade. In this paper we present the conceptual design of IAXO, which follows the layout of an enhanced axion helioscope, based on a purpose-built 20 m-long 8-coils toroidal superconducting magnet. All the eight 60cm-diameter magnet bores are equipped with focusing x-ray optics, able to focus the signal photons into ∼ 0.2 cm2 spots that are imaged by ultra-low-background Micromegas x-ray detectors. The magnet is built into a structure with elevation and azimuth drives that will allow for solar tracking for ∼ 12 h each day.

We review the cosmological implications of a relic population of pseudo Nambu-Goldstone bosons (pNGB) with an anomalous coupling to two photons, often called axion-like particles (ALPs). We establish constraints on the pNGB mass and two-photon coupling by considering big bang nucleosynthesis, the physics of the cosmic microwave background, and the diffuse photon background. The bounds from WMAP7 and other large-scale-structure data on the effective number of neutrino species can be stronger than the traditional bounds from the primordial helium abundance. These bounds, together with those from primordial deuterium abundance, constitute the most stringent probes of early decays.

The red-giant branch (RGB) in globular clusters is extended to larger brightness if the degenerate helium core loses too much energy in ``dark channels.'' Based on a large set of archival observations, we provide high-precision photometry for the Galactic globular cluster M5 (NGC 5904), allowing for a detailed comparison between the observed tip of the RGB with predictions based on contemporary stellar evolution theory. In particular, we derive 95% confidence limits of ${g}_{ae}<4.3\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}13}$ on the axion-electron coupling and ${\ensuremath{\mu}}_{\ensuremath{\nu}}<4.5\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}12}{\ensuremath{\mu}}_{B}$ (Bohr magneton ${\ensuremath{\mu}}_{B}=e/2{m}_{e}$) on a neutrino dipole moment, based on a detailed analysis of statistical and systematic uncertainties. The cluster distance is the single largest source of uncertainty and can be improved in the future.

There are a number of observational hints from astrophysics which point to the existence of stellar energy losses beyond the ones accounted for by neutrino emission. These excessive energy losses may be explained by the existence of a new sub-keV mass pseudoscalar Nambu-Goldstone boson with tiny couplings to photons, electrons, and nucleons. An attractive possibility is to identify this particle with the axion—the hypothetical pseudo Nambu-Goldstone boson predicted by the Peccei-Quinn solution to the strong CP problem. We explore this possibility in terms of a DFSZ-type axion and of a KSVZ-type axion/majoron, respectively. Both models allow a good global fit to the data, prefering an axion mass around 10 meV. We show that future axion experiments—the fifth force experiment ARIADNE and the helioscope IAXO—can attack the preferred mass range from the lower and higher end, respectively. An axion in this mass range can also be the main constituent of dark matter.

Abstract Dark (hidden) photons are widely recognised as well motivated candidates for physics beyond the standard model, and have been invoked for the solution of several outstanding problems, including to account for the dark matter in the universe. In this paper, we consider a simple model for dark photons, which is coupled to ordinary matter only through kinetic mixing with ordinary photons. Within this framework, we calculate the flux of solar dark photons on Earth and revise the potential to detect it with the next generation of axion helioscopes, particularly with the International AXion Observatory (IAXO). This paper extends on previous theoretical analyses in two main ways. Firstly, it includes a more complete analysis of the possible sources of dark photons from the sun, including the contribution of the solar magnetic field and of nuclear processes, and secondly it includes predictions on the parameter space accessible in the gas-filled phase of IAXO.