Аксионский эксперимент с темной материей - Axion Dark Matter Experiment

В Аксионский эксперимент с темной материей (ADMX, также записывается как Эксперимент Axion Dark Matter в документации проекта) использует резонансный микроволновый резонатор внутри большого сверхпроводящего магнита для поиска холодной темной материи аксионы в местной галактике темная материя гало. Необычный для детектора темной материи, он не расположен глубоко под землей. Расположен в Центре экспериментальной ядерной физики и астрофизики (CENPA) на Вашингтонский университет, ADMX - это результат большого сотрудничества с исследователями из университетов и лабораторий по всему миру.

Фон

В аксион гипотетическая элементарная частица, изначально постулированная для решения сильная проблема CP. Аксион также является чрезвычайно привлекательным темная материя кандидат. Аксион - это кусок головоломки, позволяющий этим двум загадкам естественным образом вписаться в наше понимание Вселенной.

Сильная проблема CP

Первоначально предполагалось, что аксион существует как часть решения «проблемы сильной CP». Эта проблема возникла из наблюдения, что сильная сила удерживая ядра вместе и слабое взаимодействие, создающее ядра распад различаются по количеству Нарушение CP в их взаимодействиях. Слабое взаимодействие ожидалось, что это будет сильные взаимодействия (QCD ), давая заметные QCD CP нарушение, но такое нарушение не наблюдалось с очень высокой точностью. Одним из решений этой сильной проблемы CP является введение новой частицы, называемой аксион. Если аксион очень легкий, он взаимодействует настолько слабо, что его почти невозможно обнаружить, но он может быть идеальным кандидатом в темную материю. Эксперимент ADMX направлен на обнаружение этой чрезвычайно слабосвязанной частицы.

The Bullet Cluster: изображение HST с наложениями. Общее прогнозируемое распределение массы, восстановленное из сильного и слабого гравитационного линзирования, показано синим цветом, в то время как горячий газ, излучающий рентгеновские лучи, наблюдаемый с помощью Chandra, показан красным.

Темная материя

Хотя темную материю нельзя увидеть напрямую, ее гравитационное взаимодействие со знакомой материей оставляет безошибочные доказательства ее существования. Вселенная, которую мы видим сегодня, просто не выглядела бы так, как выглядит без темной материи. Природа темной материи, примерно в пять раз более распространенная, чем обычная материя, остается одной из самых больших загадок в современной физике. Помимо решения сильная проблема CP, аксион может дать ответ на вопрос "из чего состоит темная материя?" Аксион - это нейтральная частица, которая чрезвычайно слабо взаимодействует и может быть произведена в нужном количестве, чтобы составить темную материю. Если темная материя, составляющая основную часть всей материи в нашей Вселенной, - это аксионы, ADMX - один из немногих экспериментов, способных ее обнаружить.

История

Пьер Сикиви изобрел аксионный галоскоп в 1983 году.^[1] После экспериментов меньшего масштаба на Университет Флориды продемонстрировали практичность аксионного галоскопа, ADMX был построен на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора в 1995 году. В 2010 году ADMX перешел в Центр экспериментальной физики и астрофизики (CENPA) на Вашингтонский университет. Под руководством доктора Лесли Розенберга ADMX проходит модернизацию, которая позволит ему быть чувствительным к широкому диапазону вероятных масс и связей аксионов темной материи.

Эксперимент

Эксперимент (в документации к проекту обозначенный как «eXperiment») предназначен для обнаружения очень слабого преобразования аксионов темной материи в микроволновые фотоны в присутствии сильного магнитного поля. Если гипотеза верна, аппарат, состоящий из 8тесла Магнит и криогенно охлаждаемый перестраиваемый СВЧ-резонатор с высокой добротностью должны стимулировать преобразование аксионов в фотоны. Когда резонансная частота полости настроена на массу аксиона, взаимодействие между соседними аксионами в Млечный Путь гало и магнитное поле ADMX усиливается. Это приводит к вложению в резонатор очень небольшого количества энергии (менее йоктоватта).

Чрезвычайно чувствительный микроволновый приемник позволяет выделить из шума очень слабый аксионный сигнал. Экспериментальный приемник отличается квантово-ограниченными шумовыми характеристиками, обеспечиваемыми экзотическим Сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (SQUID) усилитель и более низкие температуры от ³Он холодильник. ADMX - это первый эксперимент, чувствительный к реалистичным массам и связям аксионов темной материи, а улучшенный детектор обеспечивает еще более чувствительный поиск.

Магнит ADMX устанавливается в Вашингтонском университете. Хотя детектор установлен под полом, он находится в наземной лаборатории.

Полость

СВЧ-резонатор в отверстии магнита - это сердце ADMX. Это круглый цилиндр длиной 1 метр и диаметром 0,5 метра. ADMX ищет аксионы, медленно сканируя резонансную частоту полости, регулируя положения двух настроечных стержней внутри полости. Сигнал появляется, когда резонансная частота полости совпадает с массой аксиона.

Ожидаемый сигнал от распада аксиона настолько мал, что весь эксперимент охлаждается до температуры значительно ниже 4,2 кельвина с помощью холодильника на жидком гелии для минимизации теплового шума. Электрическое поле внутри резонатора измеряется крошечной антенной, подключенной к сверхмалошумящему микроволновому приемнику.

Приемник

СВЧ-приемник со сверхмалым шумом делает эксперимент возможным. Доминирующим фоном является тепловой шум, исходящий от резонатора и электроники приемника. Сигналы из резонатора усиливаются экзотическим криогенным усилителем сверхпроводящего квантового устройства помех (SQUID), за которым следует сверхмалошумящий криогенный усилитель. HFET усилители. Затем приемник преобразует с понижением частоты частоты микроволнового резонатора до более низкой частоты, которая может быть легко преобразована в цифровую форму и сохранена. Цепь приемника чувствительна к мощностям менее 0,01 йоктоватт; это самый низкий в мире микроволновый приемник для производственной среды.

Прогресс

ADMX уже исключил одну из двух эталонных моделей аксионов с 1,9 мкэВ до 3,53 мкэВ, предполагая, что аксионы насыщают ореол Млечного Пути.^[2] ADMX надеется исключить или открыть аксионы темной материи от 2 мкэВ до 20 мкэВ в течение следующих 10 лет. ADMX подвергается обновлению до «Окончательного эксперимента»; это чувствительно к очень широкому диапазону вероятных масс и связей аксионов темной материи. Повышение чувствительности станет возможным с обновлением до усилителей SQUID и добавлением холодильник для разбавления.

СКВИД-усилители

Несколько лет назад усилитель ADMX шумовая температура была около 2 К. Недавно усилители были заменены усилителями SQUID, которые значительно снизили шум (до менее 100 мК) и значительно улучшили чувствительность. ADMX продемонстрировал, что SQUID-усилитель обеспечивает квантово-ограниченную чувствительность по мощности. Совсем недавно компания ADMX приобрела параметрические усилители Джозефсона, которые позволяют ограниченный квантовым шумом поиск на более высоких частотах.

Холодильник разбавления

Добавление холодильника разбавления является основным направлением программы модернизации ADMX. Холодильник разбавления позволяет охлаждать прибор до 100 мК или меньше, снижая уровень шума до 0,15 К, что ускоряет сбор данных в 400 раз. Это делает его «окончательным экспериментом».

внешняя ссылка

Веб-сайт ADMX

[1] Сикиви, П. (1983). «Экспериментальные испытания« невидимого »аксиона». Письма с физическими проверками. 51 (16): 1415. Bibcode:1983ПхРвЛ..51.1415С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.51.1415.

[2] Сотрудничество ADMX; Asztalos, S.J .; Carosi, G .; Hagmann, C .; Kinion, D .; ван Биббер, К .; Hotz, M .; Розенберг, Л .; Рыбка, Г .; Хоскинс, Дж .; Hwang, J .; Sikivie, P .; Таннер, Д. Б.; Bradley, R .; Кларк, Дж. (28 января 2010 г.). «Поиск аксионов темной материи на основе СКВИДа». Письма с физическими проверками. 104 (4): 041301. arXiv:0910.5914. Bibcode:2010PhRvL.104d1301A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.041301. PMID 20366699.

[1]

[2]