Солнечный телескоп ЦЕРН «Аксион»

Солнечный телескоп ЦЕРН «Аксион»

Детектор RADES в CAST
Преемник	Международная аксионная обсерватория
Формирование	Утверждено 13 апреля 2000 г.
Правовой статус	Сбор данных с 18 июня 2003 г.
Цель	Поиск темной материи и энергии
Штаб-квартира	Женева , Швейцария
Поля	Астрофизика частиц
Пресс-секретарь	Константин Зютас
Веб-сайт	cast.web.cern.ch/CAST/

Солнечный телескоп CERN Axion ( CAST ) — это эксперимент в области астрофизики частиц для поиска аксионов , исходящих от Солнца . Эксперимент, размещенный в ЦЕРНе в Швейцарии, был запущен в эксплуатацию в 1999 году и запущен в 2002 году, а первый цикл сбора данных начался в мае 2003 года. Успешное обнаружение солнечных аксионов стало бы крупным открытием в области физики частиц , а также открыло бы совершенно новое окно в астрофизику солнечного ядра.

CAST в настоящее время является самым чувствительным аксионным гелиоскопом. ^[1]

Если аксионы существуют, они могут быть получены в ядре Солнца, когда рентгеновские лучи рассеиваются на электронах и протонах в присутствии сильных электрических полей . Экспериментальная установка построена вокруг выведенного из эксплуатации испытательного магнита длиной 9,26 м для LHC, способного создавать поле до9,5  Т. ​​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. Оставшиеся 21 час, когда инструмент направлен в сторону от Солнца, тратятся на измерение фоновых уровней аксионов.

CAST начал работу в 2003 году, занимаясь поиском аксионов длиной до0,02  эВ . В 2005 году к магниту был добавлен гелий-4, что расширило чувствительность до масс до 0,39 эВ, затем в 2008–2011 годах использовался гелий-3 для масс до 1,15 эВ. Затем CAST снова запустился с вакуумом, ища аксионы ниже 0,02 эВ.

По состоянию на 2014 год CAST не предоставил окончательных доказательств существования солнечных аксионов. Он значительно сузил диапазон параметров, в которых могут существовать эти неуловимые частицы. CAST установил значительные ограничения на связь аксионов с электронами ^[2] и фотонами. ^[3]

В статье 2017 года, в которой использовались данные эксперимента 2013–2015 годов, сообщается о новом лучшем пределе для связи аксиона и фотона, равном 0,66×10−10 ^/  ГэВ  . ^{[4] [5]}

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

CAST фокусируется на солнечных аксионах с помощью гелиоскопа , который представляет собой 9,2-метровый сверхпроводящий прототип дипольного магнита LHC . Сверхпроводящий магнит поддерживается постоянным поддержанием его при 1,8 Кельвина с помощью сверхтекучего гелия . Имеются два магнитных отверстия диаметром 43 мм и длиной 9,2 6 м с рентгеновскими детекторами, размещенными на всех концах. Эти детекторы чувствительны к фотонам от обратного преобразования Примакова солнечных аксионов. Два рентгеновских телескопа CAST измеряют как сигнал, так и фон одновременно с помощью одного и того же детектора и уменьшают систематические неопределенности. ^{[7] [8]}

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

1. Обычные детекторы с проекционной камерой времени (TPC).
2. Детекторы газовых структур MICROMEsh (MICROMEGAS).
3. Рентгеновский телескоп с прибором зарядовой связи (ПЗС).

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

TPC — это газонаполненный дрейфовый тип детектора, разработанный для обнаружения рентгеновских сигналов низкой интенсивности в CAST. Взаимодействия в этом детекторе происходят в очень большой газовой камере и производят ионизирующие электроны. Эти электроны перемещаются в сторону многопроводной пропорциональной камеры (MWPC), где сигнал затем усиливается посредством лавинного процесса. ^[11]

Этот детектор работал в период с 2002 по 2004 год. Это газообразный детектор, который в основном использовался для обнаружения рентгеновского излучения в диапазоне энергий 1–10 кэВ. Сам детектор был изготовлен из низкорадиоактивных материалов. Выбор материала был в основном основан на снижении фонового шума, и Micromegas добился значительно низкого фонового подавления6 × 10−7  отсчетов·кэВ ⁻¹ ·см ⁻² ·с ^{−1 без} какой-либо защиты. ^{[10] [12]}

Этот детектор имеет чип pn-CCD, расположенный в фокальной плоскости рентгеновского телескопа. Рентгеновский телескоп основан на популярной концепции зеркальной оптики Wolter-I. Эта техника широко используется почти во всех рентгеновских астрономических телескопах. Его зеркало состоит из 27 покрытых золотом никелевых оболочек. Эти параболические и гиперболические оболочки расположены конфокально для оптимизации разрешения. Самая большая оболочка имеет диаметр 163 мм, а самая маленькая — 76 мм. Общая система зеркал имеет фокусное расстояние 1,6 м. ^{[9] [13]} Этот детектор достиг удивительно хорошего соотношения сигнал/шум, фокусируя аксионы, созданные внутри камеры магнитного поля, на небольшой, около нескольких областей. ^[12]${\displaystyle мм^{2}}$

В 2016 году был установлен детектор GridPix для обнаружения мягкого рентгеновского излучения (энергетический диапазон от 200 эВ до 10 кэВ), генерируемого солнечными хамелеонами посредством эффекта Примакоффа. В период поиска с 2014 по 2015 год обнаруженное отношение сигнал/шум было ниже требуемых уровней. ^[14]

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 с низкими пороговыми энергиями. Детектор InGrid и его гранулярный считыватель Timepix pad с низким энергетическим порогом 0,1 кэВ для обнаружения фотонов охотятся на солнечных хамелеонов в этом диапазоне. ^{[8] [15]}

RADES начал поиск аксионоподобной темной материи в 2018 году, и первые результаты этого детектора были опубликованы в начале 2021 года. Хотя в период с 2018 по 2021 год не было обнаружено существенного сигнала аксиона выше фонового шума, RADES стал первым детектором, который искал 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 . Рассматриваются дальнейшие перспективы улучшения системы детектора с помощью таких усовершенствований, как сверхпроводящие полости и ферромагнитные настройки. ^{[16] [7]}${\displaystyle 30\мкэВ}$${\displaystyle 34\мкэВ}$

KWISP в CAST разработан для обнаружения связи солнечных хамелеонов с частицами материи. Он использует очень чувствительный оптомеханический датчик силы, способный обнаруживать смещение в тонкой мембране, вызванное механическими эффектами от взаимодействия солнечных хамелеонов. ^{[17] [18] [8]}

Этот детектор имеет тонкий механизм настройки, состоящий из 2 параллельных сапфировых пластин и активируемый пьезоэлектрическим двигателем . Максимальная настройка соответствует массам аксионов в диапазоне 21–23 мкэВ. Детектор CAST-CAPP также чувствителен к аксионным приливным или космологическим потокам темной материи и к теоретическим аксионным мини-кластерам. Более новая и лучшая версия CAPP разрабатывается в CAPP, Южная Корея. ^{[19] [8] [20]}

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

В первые годы основной целью CAST было обнаружение аксионов. Хотя эксперимент CAST еще не наблюдал аксионы напрямую, он ограничил параметры поиска. Масса и константа связи аксиона являются основными аспектами его обнаруживаемости. За почти 20 лет периода работы CAST добавил очень 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 аксион-фотонной связи) с 95% доверительным пределом (CL) для массы аксиона- . ^[23] Для диапазона масс аксиона между и RADES ограничил константу связи аксиона-фотона с ошибкой всего около 5%. ^[7] Самые последние результаты, полученные в 2017 году, установили верхний предел на (с 95% CL) для всех аксионов с массой ниже 0,02 эВ. ^{[4] [24]} Таким образом, CAST улучшил предыдущие астрофизические пределы и исследовал многочисленные соответствующие модели аксионов с массой менее электрон-вольта. ^[25]${\displaystyle \mathrm {8,8\times 10^{-11}ГэВ^{-1}} }$${\displaystyle g_{a\гамма}}$${\displaystyle \mathrm {m_{a}\lesssim 0,02эВ} }$${\displaystyle \mathrm {34,6771\мю эВ} }$${\displaystyle \mathrm {34,6738\мю эВ} }$${\displaystyle \mathrm {g_{a\gamma }\gtrsim 4\times 10^{-13}ГэВ^{-1}} }$${\displaystyle g_{a\гамма}}$ ${\displaystyle \mathrm {<0,66\times 10^{-10}ГэВ^{-1}} }$

CAST удалось ограничить константу связи аксион-фотон от очень низкого до сектора горячей темной материи ; и текущий диапазон поиска перекрывается с текущей космической горячей темной материей, которая является массой аксиона, . ^{[26] [8]} Новые детекторы в CAST также ищут предполагаемых кандидатов темной материи, таких как солнечные хамелеоны и фарафотоны, а также реликтовые аксионы от Большого взрыва и инфляции . ^{[26] [27]} В конце 2017 года гелиоскоп CAST, который изначально искал солнечный аксион и ALP, был преобразован в галоскоп для охоты за ветром темной материи в галактическом гало Млечного Пути, когда он пересекает Землю. Считается, что эта идея потокового темного ветра влияет и вызывает случайную и анизотропную ориентацию солнечных вспышек , для которой галоскоп CAST будет служить испытательным стендом. ^{[28] [29] [30]}${\displaystyle m_{a}\lesssim 0,9эВ}$

В области темной энергии CAST в настоящее время ищет сигнатуры хамелеона, который, как предполагается, является частицей, образующейся при взаимодействии темной энергии с фотонами. Эта область в настоящее время находится на начальной стадии, где теоретически обосновываются возможные пути взаимодействия частиц темной энергии с обычной материей. ^[31] С помощью детектора GridPix верхняя граница константы связи хамелеона с фотоном была определена равной для ( константа связи хамелеона с материей) в диапазоне от 1 до . ^[14] Детектор KWISP получил верхний предел силы, действующей на его мембрану детектора из-за хамелеонов как pNewton, что соответствует определенной зоне исключения в плоскости и дополняет результаты, полученные GridPix. ^{[17] [32]}${\displaystyle \beta _ {\gamma }}$${\displaystyle 5.74\times 10^{10}}$${\displaystyle \beta _{м}}$${\displaystyle 10^{6}}$${\displaystyle 44\pm 18}$${\displaystyle \beta _ {\gamma }}$${\displaystyle \beta _{м}}$

• «Дебют эксперимента с аксионом». Physicsworld.com . Physics Web. 24 ноября 2004 г.
• «Эксперимент CAST ограничивает солнечные аксионы». cerncourier.com. 19 мая 2017 г.
• "Эксперимент CAST". Швейцария: ЦЕРН . Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 года.
• "CAST". Испания: UNIZAR.
• "CAST". Германия: TUD. Архивировано из оригинала 18 марта 2009 года.