Аксионский эксперимент с темной материей

Аксионный эксперимент с темной материей ( ADMX , также известный как Axion Dark Matter eXperiment в документации проекта) — это эксперимент, в котором используется резонансный микроволновый резонатор внутри большого сверхпроводящего магнита для поиска аксионов холодной темной материи в локальном галактическом гало темной материи . Необычно для детектора темной материи то, что он расположен не глубоко под землей. ADMX, расположенный в Центре экспериментальной ядерной физики и астрофизики (CENPA) Вашингтонского университета , является результатом масштабного сотрудничества с исследователями из университетов и лабораторий по всему миру.

Фон

Аксион сильной – это гипотетическая элементарная частица, первоначально постулированная для решения CP-проблемы . Аксион также является чрезвычайно привлекательным кандидатом в темную материю . Аксион — это часть головоломки, которая позволяет этим двум загадкам естественным образом вписаться в наше понимание Вселенной.

Сильная проблема с CP

Первоначально предполагалось, что аксион существует как часть решения «сильной проблемы CP». Эта проблема возникла из наблюдения, что сильная сила, удерживающая ядра вместе, и слабая сила, вызывающая распад ядер, различаются по степени нарушения CP в их взаимодействиях. слабое взаимодействие Ожидалось, что перейдет в сильные взаимодействия ( КХД ), что приведет к заметному CP-нарушению КХД , но с очень высокой точностью такое нарушение не наблюдалось. Одним из решений этой сильной CP-проблемы является появление новой частицы, называемой аксионом . Если аксион очень легкий, он взаимодействует настолько слабо, что его практически невозможно обнаружить, но он будет идеальным кандидатом в темную материю. Эксперимент ADMX направлен на обнаружение этой чрезвычайно слабосвязанной частицы.

Темная материя

Хотя темную материю нельзя увидеть напрямую, ее гравитационное взаимодействие с привычной материей оставляет безошибочные доказательства ее существования. ^{[ нужна ссылка ]} Сегодняшняя Вселенная не выглядела бы так же без темной материи. Природа темной материи, примерно в пять раз более распространенной, чем обычная материя, остается одной из величайших загадок физики. Помимо решения сильной CP-проблемы , аксион может дать ответ на вопрос «из чего состоит темная материя?» Аксион — это нейтральная частица, которая чрезвычайно слабо взаимодействует и может производиться в нужном количестве, чтобы составить темную материю. Если темная материя, составляющая большую часть всей материи в нашей Вселенной, является аксионами, ADMX — один из немногих экспериментов, способных ее обнаружить.

История

Пьер Сикиви изобрел аксионный галоскоп в 1983 году. ^[1] После того, как эксперименты меньшего масштаба в Университете Флориды продемонстрировали практичность аксионного галоскопа, ADMX был построен в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в 1995 году. В 2010 году ADMX переехал в Центр экспериментальной физики и астрофизики (CENPA) Вашингтонского университета . Под руководством доктора Лесли Розенберга, ^[2] ADMX проходит модернизацию, которая позволит ему быть чувствительным к широкому диапазону возможных аксионных масс и связей темной материи.

Эксперимент

Целью эксперимента является обнаружение слабого преобразования аксионов темной материи в микроволновые фотоны в присутствии сильного магнитного поля. Если гипотеза верна, то устройство, состоящее из магнита силой 8 тесла и криогенно охлаждаемого перестраиваемого микроволнового резонатора с высокой добротностью, должно стимулировать преобразование аксионов в фотоны. Когда резонансная частота полости настроена на массу аксиона, взаимодействие между близлежащими аксионами в Млечного Пути гало и магнитным полем ADMX усиливается. Это приводит к попаданию в полость небольшого количества энергии (менее йоктоватта).

Чрезвычайно чувствительный микроволновый приемник позволяет выделить слабый аксионный сигнал из шума. Приемник для эксперимента отличается характеристиками квантово-ограниченного шума, обеспечиваемыми усилителем сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (СКВИД) , и более низкими температурами благодаря ³Он холодильник. ADMX — это первый эксперимент, чувствительный к реалистичным массам и связям аксионов темной материи, а улучшенный детектор обеспечивает более чувствительный поиск.

Полость

Микроволновой резонатор внутри отверстия магнита является сердцем ADMX. Это круглый цилиндр длиной 1 метр и диаметром 0,5 метра. ADMX ищет аксионы, медленно сканируя резонансную частоту резонатора, регулируя положения двух настроечных стержней внутри резонатора. Сигнал появляется, когда резонансная частота резонатора совпадает с массой аксиона.

Ожидаемый сигнал от распада аксиона настолько мал, что весь эксперимент охлаждается до температуры значительно ниже 4,2 К с помощью гелиевого холодильника, чтобы минимизировать тепловой шум. Электрическое поле внутри резонатора измеряется крошечной антенной, подключенной к сверхмалошумящему микроволновому приемнику.

Получатель

Сверхмалошумящий микроволновый приемник делает эксперимент возможным. Доминирующим фоном являются тепловые шумы, возникающие в резонаторе и электронике приемника. Сигналы из резонатора усиливаются усилителем сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (СКВИД), за которым следуют сверхмалошумящие криогенные HFET усилители . Затем приемник преобразует частоты микроволнового резонатора в более низкую частоту, которую можно легко оцифровать и сохранить. Цепь приемника чувствительна к мощности менее 10 ронтоватт; это микроволновый приемник с самым низким уровнем шума в производственной среде.

Прогресс

В 2010 году ADMX исключил одну из двух эталонных моделей аксионов с 1,9 мкэВ до 3,53 мкэВ, предполагая, что аксионы насыщают гало Млечного Пути. ^[3] Обновление 2016 года должно позволить ADMX исключать или обнаруживать аксионы темной материи с энергией от 1 до 40 мкэВ. ^[4]

СКВИД усилители

При первой реализации эксперимента в 1996 году шумовая температура усилителя составляла около 2 К. ^[5] В 2009 году усилитель первого каскада был заменен на СКВИД-усилитель, что значительно снизило шум (до менее 100 мК) и значительно улучшило чувствительность. ^[5] ADMX продемонстрировал, что усилитель SQUID обеспечивает чувствительность с квантово-ограниченной мощностью. В 2016 году ADMX приобрела параметрические усилители Джозефсона, которые позволяют выполнять поиск на более высоких частотах с ограничением квантового шума. ^[6]

Холодильник для разбавления

Установка холодильника для разбавления была основным направлением программы модернизации 2016 года. ^[4] Холодильник разбавления позволяет охлаждать аппарат до 100 мК и менее, снижая шум до 150 мК, что ускоряет прием данных в 400 раз. Это делает его «Окончательным экспериментом».

Ссылки

^ Сикиви, П. (1983). «Экспериментальные испытания «невидимого» аксиона». Письма о физических отзывах . 51 (16): 1415. Бибкод : 1983PhRvL..51.1415S . doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1415 .
^ «Танцы в темноте – конец физики?» . Горизонт . Би-би-си Два . Март 2015 года . Проверено 18 июня 2022 г.
^ Сотрудничество ADMX; Асталос, С.Дж.; Карози, Г.; Хагманн, К.; Кинион, Д.; ван Биббер, К.; Хотц, М.; Розенберг, Л.; Рыбка, Г.; Хоскинс, Дж.; Хван, Дж.; Сикиви, П.; Таннер, Д.Б.; Брэдли, Р.; Кларк, Дж. (28 января 2010 г.). «СВЧ-резонатор на основе СКВИДа ищет аксионы темной материи». Письма о физических отзывах . 104 (4): 041301. arXiv : 0910.5914 . Бибкод : 2010PhRvL.104d1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.041301 . ПМИД 20366699 . S2CID 35365606 .
^ Jump up to: ^а ^б Розенберг, Лесли (01 января 2018 г.). «В поисках тьмы: Охота за аксионами» . Научный американец . Проверено 8 апреля 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б Асталос, С.Дж.; Карози, Г.; Хагманн, К.; Кинион, Д.; ван Биббер, К.; Хотц, М.; Розенберг, Л.Дж.; Рыбка, Г.; Хоскинс, Дж.; Хван, Дж.; Сикиви, П.; Таннер, Д.Б.; Брэдли, Р.; Кларк, Дж. (28 января 2010 г.). «Поиск аксионов темной материи в микроволновой полости с помощью кальмаров» . Письма о физических отзывах . 104 (4): 041301. arXiv : 0910.5914 . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.041301 .
^ Брубейкер, Б.М.; Чжун, Л.; Гуревич Ю.В.; Кан, С.Б.; Ламоро, Южная Каролина; Симановская, М.; Рут, младший; Льюис, С.М.; Аль Кенани, С.; Бэкес, К.М.; Урдинаран, И.; Рапидис, Нью-Мексико; Шокайр, Т.М.; ван Биббер, К.А.; Палкен, Д.А. (9 февраля 2017 г.). «Первые результаты поиска аксионов в микроволновом резонаторе при энергии 24 мкэВ» . Письма о физических отзывах . 118 (6): 061302. arXiv : 1610.02580 . doi : 10.1103/PhysRevLett.118.061302 .
^ Сервантес, Р. (2022). «ADMX-Орфей впервые ищет темную материю темных фотонов с энергией 70 мкэВ: детальное проектирование, операции и анализ». Физический обзор D . 106 (10). arXiv : 2204.09475 . doi : 10.1103/PhysRevD.106.102002 .

Внешние ссылки

Веб-сайт ADMX

[1] Сикиви, П. (1983). «Экспериментальные испытания «невидимого» аксиона». Письма о физических отзывах . 51 (16): 1415. Бибкод : 1983PhRvL..51.1415S . doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1415 .

[bbc-b05n8jqs-2] «Танцы в темноте – конец физики?» . Горизонт . Би-би-си Два . Март 2015 года . Проверено 18 июня 2022 г.

[3] Сотрудничество ADMX; Асталос, С.Дж.; Карози, Г.; Хагманн, К.; Кинион, Д.; ван Биббер, К.; Хотц, М.; Розенберг, Л.; Рыбка, Г.; Хоскинс, Дж.; Хван, Дж.; Сикиви, П.; Таннер, Д.Б.; Брэдли, Р.; Кларк, Дж. (28 января 2010 г.). «СВЧ-резонатор на основе СКВИДа ищет аксионы темной материи». Письма о физических отзывах . 104 (4): 041301. arXiv : 0910.5914 . Бибкод : 2010PhRvL.104d1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.041301 . ПМИД 20366699 . S2CID 35365606 .

[:1-4] Jump up to: ^а ^б Розенберг, Лесли (01 января 2018 г.). «В поисках тьмы: Охота за аксионами» . Научный американец . Проверено 8 апреля 2024 г.

[:0-5] Jump up to: ^а ^б Асталос, С.Дж.; Карози, Г.; Хагманн, К.; Кинион, Д.; ван Биббер, К.; Хотц, М.; Розенберг, Л.Дж.; Рыбка, Г.; Хоскинс, Дж.; Хван, Дж.; Сикиви, П.; Таннер, Д.Б.; Брэдли, Р.; Кларк, Дж. (28 января 2010 г.). «Поиск аксионов темной материи в микроволновой полости с помощью кальмаров» . Письма о физических отзывах . 104 (4): 041301. arXiv : 0910.5914 . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.041301 .

[6] Брубейкер, Б.М.; Чжун, Л.; Гуревич Ю.В.; Кан, С.Б.; Ламоро, Южная Каролина; Симановская, М.; Рут, младший; Льюис, С.М.; Аль Кенани, С.; Бэкес, К.М.; Урдинаран, И.; Рапидис, Нью-Мексико; Шокайр, Т.М.; ван Биббер, К.А.; Палкен, Д.А. (9 февраля 2017 г.). «Первые результаты поиска аксионов в микроволновом резонаторе при энергии 24 мкэВ» . Письма о физических отзывах . 118 (6): 061302. arXiv : 1610.02580 . doi : 10.1103/PhysRevLett.118.061302 .

[7] Сервантес, Р. (2022). «ADMX-Орфей впервые ищет темную материю темных фотонов с энергией 70 мкэВ: детальное проектирование, операции и анализ». Физический обзор D . 106 (10). arXiv : 2204.09475 . doi : 10.1103/PhysRevD.106.102002 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

Фон