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 |
( 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.
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]
- Обычные камерные детекторы проекции времени (TPC).
- Детекторы газовой структуры МИКРОМЕШ (МИКРОМЕГАЗ).
- 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]
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]
CAST-CAPP
[ редактировать ]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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 ].
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «ЦЕРН направляет гигантский магнит на Солнце в поисках частиц темной материи» . Арс Техника . Проверено 2 мая 2017 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б с д и «CAST in Time – В поисках аксионов и хамелеонов» . Новости ЭП . Проверено 14 июня 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Росу, Мадалин Михай (2015). Поиск солнечных аксионов с помощью ПЗС-детектора и рентгеновского телескопа в эксперименте CAST (Диссертация). Дармштадт, Германия: TUPrints ULB.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «CAST: от поисков аксионов солнечной материи до темной материи» . Новости ЭП . Проверено 15 июня 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «В поисках WISP» . ЦЕРН Курьер . 04.03.2021 . Проверено 15 июня 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Поиск WISP набирает обороты» . ЦЕРН Курьер . 31 августа 2018 г. Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ «CAST: от поисков аксионов солнечной материи до темной материи» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «BabyIAXO представляет для публикации отчет о концептуальном проекте» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б «CAST in Time – В поисках аксионов и хамелеонов» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «CAST открывает новое окно в темную энергию и темную материю после 11 лет работы и постоянного обновления» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «Эксперимент OSQAR проливает свет на скрытый сектор научного наследия ЦЕРН» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «Поиск аксионов в текущей темной материи» . Новости ЭП . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «Исследование связывает солнечную активность с экзотической темной материей» . ЦЕРН Курьер . 22 сентября 2017 г. Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «Коллайдеры присоединяются к охоте за темной энергией» . ЦЕРН Курьер . 24 января 2019 г. Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «Детектор KWISP ищет темную энергию Солнца» . ЦЕРН . Проверено 23 июня 2021 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Дебют эксперимента «Аксион»» . Physicsworld.com . Физический Интернет. 24 ноября 2004 г.
- «Эксперимент CAST ограничивает солнечные аксионы» . cerncourier.com. 19 мая 2017 г.
- «Эксперимент КАСТ» . Швейцария: ЦЕРН . [ постоянная мертвая ссылка ]
- "БРОСАТЬ" . Испания: УНИСАР.
- "БРОСАТЬ" . Германия: ТУД. Архивировано из оригинала 18 марта 2009 года.