Jump to content

Аксионный солнечный телескоп ЦЕРН

Аксионный солнечный телескоп ЦЕРН
Преемник Международная Аксионная обсерватория
Формирование Утверждено 13 апреля 2000 г.
Юридический статус Сбор данных с 18 июня 2003 г.
Цель Поиск темной материи и энергии
Штаб-квартира Женева , Швейцария
Поля Астрофизика частиц
Пресс-секретарь
Константин Зиутас
Веб-сайт бросать .web .cern /БРОСАТЬ /
Внутри склада находится длинный синий цилиндр, окруженный строительными лесами и водопроводом.
БРОСАТЬ. Магнит телескопа (синий) вращается вокруг правой стороны, а желтый портал слева на снимке катится по круговой дорожке в полу и поднимает и опускает левую сторону, следуя за солнцем.

( Аксионный солнечный телескоп ЦЕРН CAST ) представляет собой эксперимент в области физики астрочастиц по поиску аксионов , исходящих от Солнца . Эксперимент, расположенный в ЦЕРН в Швейцарии, был сдан в эксплуатацию в 1999 году и запущен в эксплуатацию в 2002 году, а первый сбор данных начался в мае 2003 года. Успешное обнаружение солнечных аксионов станет крупным открытием в физике элементарных частиц , а также откроет новые возможности. совершенно новое окно в астрофизику солнечного ядра.

CAST на данный момент является самым чувствительным аксионным гелиоскопом. [1]

Теория и работа

[ редактировать ]

Если аксионы существуют, они могут образовываться в ядре Солнца, когда рентгеновские лучи рассеивают электроны и протоны в присутствии сильных электрических полей . Экспериментальная установка построена на основе списанного тестового магнита для БАК длиной 9,26 м, способного создавать поле до 9,5 Тл . Ожидается, что это сильное магнитное поле преобразует солнечные аксионы обратно в рентгеновские лучи для последующего обнаружения рентгеновскими детекторами. Телескоп наблюдает за Солнцем около 1,5 часов на восходе и еще 1,5 часа на закате каждый день. Оставшийся 21 час, когда прибор направлен в сторону от Солнца, тратится на измерение фоновых уровней аксионов.

Члены коллаборации CAST, 2011 г.

CAST начал работу в 2003 году в поисках аксионов с энергией до 0,02 эВ . В 2005 году в магнит был добавлен гелий-4, увеличивший чувствительность к массам до 0,39 эВ, затем в 2008–2011 годах использовался гелий-3 для масс до 1,15 эВ. Затем CAST снова запустил вакуум в поисках аксионов с энергией ниже 0,02 эВ.

По состоянию на 2014 год CAST не предоставил окончательных доказательств существования солнечных аксионов. Это существенно сузило диапазон параметров, в которых могут существовать эти неуловимые частицы. CAST установил значительные ограничения на взаимодействие аксионов с электронами. [2] и фотоны. [3]

В статье 2017 года, в которой использовались данные исследования 2013–2015 годов, сообщается о новом наилучшем пределе взаимодействия аксион-фотон 0,66 × 10. −10  / ГэВ. [4] [5]

На основе опыта CAST гораздо более крупный аксионный гелиоскоп нового поколения — Международная аксионная обсерватория (IAXO), который сейчас находится в стадии подготовки. был предложен [6]

Детекторы

[ редактировать ]

CAST фокусируется на солнечных аксионах с помощью гелиоскопа , который представляет собой сверхпроводящий прототип дипольного магнита LHC длиной 9,2 м . Сверхпроводящий магнит поддерживается за счет постоянного поддержания его температуры в 1,8 Кельвина с использованием сверхтекучего гелия . Имеются две магнитные скважины диаметром 43 мм и длиной 9,2–6 м, на всех концах которых расположены детекторы рентгеновского излучения. Эти детекторы чувствительны к фотонам обратного примаковского преобразования солнечных аксионов. Два рентгеновских телескопа CAST измеряют сигнал и фон одновременно с помощью одного и того же детектора и уменьшают систематические погрешности. [7] [8]

С 2003 по 2013 год к концам дипольного магнита были прикреплены следующие три детектора, все основанные на обратном эффекте Примакова, для обнаружения фотонов, преобразованных из солнечных аксионов. [9]

  1. Обычные камерные детекторы проекции времени (TPC).
  2. Детекторы газовой структуры МИКРОМЕШ (МИКРОМЕГАЗ).
  3. Рентгеновский телескоп с устройством заряженной пары (ПЗС).

После 2013 года было установлено несколько новых детекторов, таких как RADES, GridPix и KWISP, с измененными целями и новыми усовершенствованными технологиями. [10]

Традиционные камерные детекторы проекции времени (TPC)

[ редактировать ]

ТПК представляет собой детектор с газонаполненными дрейфовыми камерами, предназначенный для регистрации низкоинтенсивных рентгеновских сигналов в CAST. Взаимодействия в этом детекторе происходят в очень большой газовой камере и производят ионизирующие электроны. Эти электроны направляются к многопроволочной пропорциональной камере (MWPC), где сигнал затем усиливается посредством лавинного процесса. [11]

Детекторы газовой структуры МИКРОМЕШ (МИКРОМЕГАЗ)

[ редактировать ]

Этот детектор работал в период с 2002 по 2004 год. Это газовый детектор, который в основном использовался для регистрации рентгеновских лучей в диапазоне энергий 1–10 кэВ. Сам детектор был изготовлен из малорадиоактивных материалов. Выбор материала был в основном основан на снижении фонового шума, и Micromegas добилась значительно низкого подавления фона — 6 × 10. −7 считает · кэВ −1 ·см −2 ·с −1 без всякого экранирования. [10] [12]

Рентгеновский телескоп с устройством заряженной пары (ПЗС)

[ редактировать ]

Этот детектор имеет чип pn-CCD, расположенный в фокальной плоскости рентгеновского телескопа. Рентгеновский телескоп основан на популярной концепции зеркальной оптики Wolter-I. Этот метод широко используется практически во всех рентгеновских астрономических телескопах. Его зеркало состоит из 27 никелевых раковин, покрытых золотом. Эти параболические и гиперболические оболочки расположены конфокально для оптимизации разрешения. Самая большая раковина имеет диаметр 163 мм, а самая маленькая – 76 мм. Общая зеркальная система имеет фокусное расстояние 1,6 м. [9] [13] Этот детектор достиг удивительно хорошего соотношения сигнал/шум за счет фокусировки аксионов, создаваемых внутри камеры магнитного поля, на небольших, примерно нескольких область. [12]

Детектор GridPix

[ редактировать ]

В 2016 году был установлен детектор GridPix для обнаружения мягкого рентгеновского излучения (диапазон энергий от 200 эВ до 10 кэВ), генерируемого солнечными хамелеонами посредством эффекта Примакова. За период поиска с 2014 по 2015 годы обнаруженное соотношение сигнал/шум было ниже требуемого уровня. [14]

Детектор рентгеновского излучения на базе InGrid

[ редактировать ]

Единственная цель этого детектора — повысить чувствительность CAST к энергетическим порогам в диапазоне около 1 кэВ. Это улучшенный чувствительный детектор, установленный в 2014 году за рентгеновским телескопом для поиска солнечных хамелеонов, имеющих низкие пороговые энергии. Детектор InGrid и его детальная панель считывания Timepix с низким энергетическим порогом 0,1 кэВ для обнаружения фотонов охотятся на солнечных хамелеонов в этом диапазоне. [8] [15]

Участник эксперимента CAST, работающий на детекторе RADES.

Исследовательская установка по изучению темной материи Relic Axion (RADES)

[ редактировать ]

RADES начал поиск аксионоподобной темной материи в 2018 году, а первые результаты этого детектора были опубликованы в начале 2021 года. Хотя в период с 2018 по 2021 год не было обнаружено значительного сигнала аксиона над шумовым фоном, RADES стал первым детектором, который ищите аксионы выше . Гелиоскоп CAST (смотрит на солнце) был превращен в галоскоп (смотрит на галактическое гало) в конце 2017 года. [7] Детектор RADES, прикрепленный к этому галоскопу, имеет полость из нержавеющей стали с чередующимися диафрагмами длиной 1 м, способную искать аксионы темной материи вокруг. . дальнейшие перспективы улучшения детекторной системы за счет таких усовершенствований, как сверхпроводящие резонаторы и ферромагнитные настройки. Рассматриваются [16] [7]

KWISP-детектор

[ редактировать ]

KWISP в CAST предназначен для обнаружения взаимодействия солнечных хамелеонов с частицами материи. Он использует очень чувствительный оптико-механический датчик силы, способный обнаруживать смещение тонкой мембраны, вызванное механическими эффектами взаимодействия солнечных хамелеонов. [17] [18] [8]

Этот детектор имеет тонкий механизм настройки, состоящий из двух параллельных сапфировых пластин и активируемый пьезоэлектрическим двигателем . Максимальная настройка соответствует массе аксионов 21–23 мкэВ. Детектор CAST-CAPP также чувствителен к приливным или космологическим потокам аксионов темной материи, а также к теоретическим мини-кластерам аксионов. Более новая и улучшенная версия CAPP разрабатывается в CAPP, Южная Корея. [19] [8] [20]

Результаты

[ редактировать ]

Эксперимент CAST начался с целью разработки новых методов и внедрения новых технологий обнаружения солнечных аксионов. Благодаря междисциплинарной и взаимосвязанной области исследований аксионов, темной материи , темной энергии и аксионоподобных экзотических частиц новые коллаборации в CAST расширили свои исследования на широкую область физики астрочастиц . Результаты из этих различных областей описаны ниже.

Ограничения на аксионы

[ редактировать ]

В первые годы обнаружение аксионов было основной целью CAST. Хотя в эксперименте CAST аксионы еще не наблюдались напрямую, он имеет ограничения на параметры поиска. Масса и константа связи аксиона являются основными аспектами его обнаруживаемости. За почти 20 лет работы CAST добавил весьма существенные детали и ограничения к свойствам солнечных аксионов и аксионоподобных частиц. [21] [22] В начальный период работы первые три детектора CAST установили верхний предел на (параметр для взаимодействия аксион-фотон) с доверительным пределом 95% (CL) для массы аксиона. . [23] Для диапазона масс аксиона между и , RADES ограничил константу связи аксион-фотон с погрешностью около 5%. [7] Самые последние результаты в 2017 году установили верхний предел (с 95% CL) для всех аксионов с массой менее 0,02 эВ. [4] [24] Таким образом, CAST улучшил предыдущие астрофизические пределы и исследовал многочисленные соответствующие аксионные модели субэлектронвольтовой массы. [25]

Поиск темной материи

[ редактировать ]

CAST удалось ограничить константу связи аксион-фотон от очень низкого до сектора горячей темной материи ; и текущий диапазон поиска перекрывается с нынешней космической горячей темной материей, связанной с аксионной массой, . [26] [8] Новые детекторы в CAST также ищут предполагаемых кандидатов в темную материю, таких как солнечные хамелеоны и фарафотоны, а также реликтовые аксионы Большого взрыва и инфляции . [26] [27] В конце 2017 года гелиоскоп CAST, который первоначально искал солнечный аксион и ALP, был преобразован в галоскоп для поиска ветра Темной материи в Млечного Пути, пока галактическом гало он пересекает Землю. Считается, что идея потоков темного ветра влияет и вызывает случайную и анизотропную ориентацию солнечных вспышек , для которой галоскоп CAST послужит испытательным стендом. [28] [29] [30]

Поиск темной энергии

[ редактировать ]

В области темной энергии CAST в настоящее время ищет признаки хамелеона, который, как предполагается, представляет собой частицу, образующуюся при взаимодействии темной энергии с фотонами. Эта область в настоящее время находится на начальной стадии, и теоретически обсуждаются возможные способы взаимодействия частиц темной энергии с нормальной материей. [31] С помощью детектора GridPix верхняя граница константы связи фотонов-хамелеонов было определено, что оно равно для (константа взаимодействия материи-хамелеона) в диапазоне от 1 до . [14] Детектор KWISP получил верхний предел силы, действующей на мембрану его детектора из-за хамелеонов, как pNewton, что соответствует определенной зоне отчуждения в - плоскости и дополняет результаты, полученные GridPix. [17] [32]

  1. ^ Фогель, Дж. К.; Авиньон, штат Форт; Канторе, Г.; Кармона, Дж. М.; Каспи, С.; Цетин, SA; Кристенсен, FE; Даэль, А.; Дафни, Т.; Давенпорт, М.; Дербин, А.В. (13 февраля 2013 г.). «IAXO - Международная аксионная обсерватория». arXiv : 1302.3273 [ physical.ins-det ].
  2. ^ Барт, К.; и др. (9 мая 2013 г.). «Ограничения CAST на аксионно-электронную связь» . Журнал космологии и физики астрочастиц . 2013 (5): 010. arXiv : 1302.6283 . Бибкод : 2013JCAP...05..010B . дои : 10.1088/1475-7516/2013/05/010 .
  3. ^ Арик, М.; и др. (Сотрудничество CAST) (2011). «Поиск солнечных аксионов с массой менее эВ с помощью Аксионного солнечного телескопа ЦЕРН с помощью 3 He буферный газ» (PDF) . Physical Review Letters . 107 (26): 2613021–2613024. arXiv : 1106.3919 . Bibcode : 2011PhRvL.107z1302A . doi : 10.1103/PhysRevLett.107.261302 . PMID.   22243149 .
  4. ^ Jump up to: а б Анастассопулос, В.; и др. (Сотрудничество CAST) (2017). «Новый предел CAST на аксионно-фотонное взаимодействие» . Физика природы . 13 (6): 584–590. arXiv : 1705.02290 . Бибкод : 2017NatPh..13..584A . дои : 10.1038/nphys4109 .
  5. ^ «ЦЕРН направляет гигантский магнит на Солнце в поисках частиц темной материи» . Арс Техника . Проверено 2 мая 2017 г.
  6. ^ Арменгауд, Э.; и др. (Сотрудничество IAXO) (2014). «Концептуальный проект Международной аксионной обсерватории (IAXO)». ДЖИНСТ . 9 (5): Т05002. arXiv : 1401.3233 . Бибкод : 2014JInst...9.5002A . дои : 10.1088/1748-0221/9/05/T05002 . S2CID   49209307 .
  7. ^ Jump up to: а б с д Альварес Мелькон, А.; Аргедас Куэндис, С.; Байер, Дж.; и др. (2021). «Первые результаты поиска аксионов с энергией 34,67 мкэВ галоскопом CAST-RADES». Журнал физики высоких энергий . 2021 (10). Springer Science and Business Media LLC: 75. arXiv : 2104.13798 . Бибкод : 2021JHEP...10..075A . дои : 10.1007/jhep10(2021)075 . ISSN   1029-8479 . S2CID   233423635 .
  8. ^ Jump up to: а б с д и «CAST in Time – В поисках аксионов и хамелеонов» . Новости ЭП . Проверено 14 июня 2021 г.
  9. ^ Jump up to: а б Кастер, М; Браунингер, Х; Себриан, С; и др. (22 июня 2007 г.). «Рентгеновский телескоп КАСТ». Новый журнал физики . 9 (6). Издательство IOP: 169. arXiv : Physics/0702188 . Бибкод : 2007NJPh....9..169K . дои : 10.1088/1367-2630/9/6/169 . ISSN   1367-2630 . S2CID   92986351 .
  10. ^ Jump up to: а б Эббон, П; Андриамонже, С; Ауне, С; и др. (22 июня 2007 г.). «Детектор Микромегас эксперимента CAST» . Новый журнал физики . 9 (6). Издательство IOP: 170. arXiv : Physics/0702190 . Бибкод : 2007NJPh....9..170A . дои : 10.1088/1367-2630/9/6/170 . ISSN   1367-2630 .
  11. ^ Отьеро, Д.; Бельтран, Б.; Кармона, Дж. М.; Себриан, С.; Чези, Э.; Давенпорт, М.; Делатр, М.; Лелла, Л. Ди; Форменти, Ф.; Ирасторза, ИГ; Гомес, Х. (июнь 2007 г.). «Камера проекции времени CAST». Новый журнал физики . 9 (6): 171. arXiv : физика/0702189 . Бибкод : 2007NJPh....9..171A . дои : 10.1088/1367-2630/9/6/171 . ISSN   1367-2630 . S2CID   16525428 .
  12. ^ Jump up to: а б «CAST открывает новое окно в темную энергию и темную материю после 11 лет работы и постоянного обновления» . Новости ЭП . Проверено 14 июня 2021 г.
  13. ^ Росу, Мадалин Михай (2015). Поиск солнечных аксионов с помощью ПЗС-детектора и рентгеновского телескопа в эксперименте CAST (Диссертация). Дармштадт, Германия: TUPrints ULB.
  14. ^ Jump up to: а б Анастассопулос, В.; Ауне, С.; Барт, К.; и др. (16 января 2019 г.). «Улучшенный поиск солнечных хамелеонов с помощью детектора GridPix в CAST». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2019 (1). Издание IOP: 032. arXiv : 1808.00066 . Бибкод : 2019JCAP...01..032A . дои : 10.1088/1475-7516/2019/01/032 . ISSN   1475-7516 . S2CID   54052079 .
  15. ^ Кригер, Кристоф; Деш, Клаус; Камински, Йохен; Лупбергер, Майкл (2018). «Работа рентгеновского детектора на базе InGrid в эксперименте CAST» . Сеть конференций EPJ . 174 . EDP ​​Sciences: 02008. Бибкод : 2018EPJWC.17402008K . doi : 10.1051/epjconf/201817402008 . ISSN   2100-014X .
  16. ^ «CAST: от поисков аксионов солнечной материи до темной материи» . Новости ЭП . Проверено 15 июня 2021 г.
  17. ^ Jump up to: а б Аргедас Куэндис, С.; Байер, Дж.; Барт, К.; и др. (2019). «Первые результаты по поиску хамелеонов детектором KWISP на CAST». Физика Темной Вселенной . 26 . Эльзевир Б.В.: 100367. arXiv : 1906.01084 . Бибкод : 2019PDU....2600367A . дои : 10.1016/j.dark.2019.100367 . ISSN   2212-6864 . S2CID   174798025 .
  18. ^ Каруза, М.; Канторе, Г.; Гардикиотис, А.; Хоффманн, DHH; Семерцидис, Ю.К.; Зиутас, К. (2016). «KWISP: сверхчувствительный датчик силы для сектора темной энергии». Физика Темной Вселенной . 12 . Эльзевир Б.В.: 100–104. arXiv : 1509.04499 . Бибкод : 2016PDU....12..100K . дои : 10.1016/j.dark.2016.02.004 . ISSN   2212-6864 . S2CID   119255228 .
  19. ^ «В поисках WISP» . ЦЕРН Курьер . 04.03.2021 . Проверено 15 июня 2021 г.
  20. ^ Адэр, СМ; Альтенмюллер, К.; Анастассопулос, В.; и др. (19 октября 2022 г.). «Поиск аксионов темной материи с помощью CAST-CAPP» . Природные коммуникации . 13 (1). Springer Science and Business Media LLC: 6180. arXiv : 2211.02902 . Бибкод : 2022NatCo..13.6180A . дои : 10.1038/s41467-022-33913-6 . ISSN   2041-1723 . ПМЦ   9581938 . ПМИД   36261453 . S2CID   252973014 .
  21. ^ Ирасторза Игорь Георгиевич; Редондо, Хавьер (сентябрь 2018 г.). «Новые экспериментальные подходы в поиске аксионоподобных частиц». Прогресс в области физики элементарных частиц и ядерной физики . 102 : 89–159. arXiv : 1801.08127 . Бибкод : 2018ПрПНП.102...89И . дои : 10.1016/j.ppnp.2018.05.003 . S2CID   119471148 .
  22. ^ «Поиск WISP набирает обороты» . ЦЕРН Курьер . 31 августа 2018 г. Проверено 23 июня 2021 г.
  23. ^ Сотрудничество CAST (17 апреля 2007 г.). «Улучшенный предел взаимодействия аксионов и фотонов из эксперимента CAST». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2007 (4): 010. arXiv : hep-ex/0702006 . Бибкод : 2007JCAP...04..010A . дои : 10.1088/1475-7516/2007/04/010 . ISSN   1475-7516 . S2CID   119067481 .
  24. ^ «CAST: от поисков аксионов солнечной материи до темной материи» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
  25. ^ «BabyIAXO представляет для публикации отчет о концептуальном проекте» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
  26. ^ Jump up to: а б «CAST in Time – В поисках аксионов и хамелеонов» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
  27. ^ «CAST открывает новое окно в темную энергию и темную материю после 11 лет работы и постоянного обновления» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
  28. ^ «Эксперимент OSQAR проливает свет на скрытый сектор научного наследия ЦЕРН» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
  29. ^ «Поиск аксионов в текущей темной материи» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
  30. ^ «Исследование связывает солнечную активность с экзотической темной материей» . ЦЕРН Курьер . 22 сентября 2017 г. Проверено 23 июня 2021 г.
  31. ^ «Коллайдеры присоединяются к охоте за темной энергией» . ЦЕРН Курьер . 24 января 2019 г. Проверено 23 июня 2021 г.
  32. ^ «Детектор KWISP ищет темную энергию Солнца» . ЦЕРН . Проверено 23 июня 2021 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 74bd21fc15f6fbbc752e6600fe2d29c6__1710729660
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/74/c6/74bd21fc15f6fbbc752e6600fe2d29c6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
CERN Axion Solar Telescope - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)