액시온 암흑 물질 실험

Axion Dark Matter Experiment

액시온 암흑 물질 실험(ADMX, 프로젝트 설명서에서 액시온 다크 물질 eXperiment로도 쓰여짐)은 지역 은하 암흑 물질 후광에서 차가운 암흑 물질 차축을 찾기 위해 큰 초전도 자석 내의 공명 마이크로파 구멍을 사용한다.암흑물질 검출기에는 특이한데, 지하 깊은 곳에 위치해 있지 않다.워싱턴 대학교의 실험핵물리학 및 천체물리학 센터에 있는 ADMX는 전 세계 대학 및 연구소의 연구자들과의 대규모 협력 작업이다.

배경

축은 강력한 CP 문제를 해결하기 위해 원래 가정된 가상의 기초 입자다.도축은 또한 극도로 매력적인 암흑물질 후보군이다.도축은 이 두 미스터리가 우주에 대한 우리의 이해에 자연스럽게 들어맞도록 하는 퍼즐 조각이다.

강력한 CP 문제

축은 원래 "강력한 CP 문제"에 대한 해결책의 일부로 존재하는 것으로 가정되었다.이 문제는 핵이 함께 고정되는 강한 힘과 핵이 붕괴되는 약한 힘이 상호작용에서 CP 위반의 양에 차이가 있다는 관측에서 비롯되었다.약한 상호작용은 QCD(강력한 상호작용)에 유입되어 QCD CP 위반이 두드러질 것으로 예상되었지만, 그러한 위반은 매우 높은 정확도로 관찰되지 않았다.이 강력한 CP 문제에 대한 하나의 해결책은 결국 축이라고 불리는 새로운 입자를 도입하게 된다.만약 축이 매우 가볍다면, 그것은 탐지하기가 거의 불가능할 정도로 약하게 상호작용하지만 이상적인 암흑 물질 후보일 것이다.ADMX 실험은 매우 약하게 결합된 입자를 검출하는 것을 목표로 한다.

Bullet Cluster: 오버레이가 있는 HST 이미지.강하고 약한 중력 렌즈에서 재구성된 총 투사 질량 분포는 파란색으로 표시되며 찬드라에서 관측된 X선 방출 뜨거운 가스는 빨간색으로 표시된다.

암흑 물질

암흑물질이 직접 볼 수는 없지만, 익숙한 물질과의 중력 상호작용은 그 존재에[citation needed] 대한 명백한 증거를 남긴다.오늘날 우리가 보는 우주는 암흑 물질이 없다면 그렇게 보이지 않을 것이다.보통 물질보다 약 5배나 풍부한 암흑 물질의 성질은 오늘날 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아 있다.강력한 CP 문제를 해결하는 것 외에도, 도끼온은 "암흑 물질이 무엇으로 만들어졌는가?"라는 질문에 대한 답을 제공할 수 있다.도축은 매우 약하게 상호작용하는 중립 입자로 암흑 물질을 구성하기에 적절한 양으로 생성될 수 있다.만약 우리 우주의 모든 물질의 대부분을 차지하는 암흑물질이 축이라면, ADMX는 그것을 탐지할 수 있는 몇 안 되는 실험들 중 하나이다.

역사

피에르 시키비는 1983년에 축음기를 발명했다.[1]플로리다 대학의 소규모 실험이 축음 할로겐스코프의 실용성을 입증한 후, ADMX는 1995년 로렌스 리버모어 국립 연구소에 건설되었다.2010년 ADMX는 워싱턴 대학교의 실험물리학 및 천체물리학 센터(CENPA)로 이전하였다.레슬리 로젠버그 박사가 이끄는 ADMX는 광범위한 암흑 물질 도축 질량과 커플링에 민감하게 반응할 수 있는 업그레이드를 진행하고 있다.

실험

실험(프로젝트 설명서에 "eXperiment"로 표기)은 강한 자기장이 존재하는 상태에서 암흑물질 축을 마이크로파 광자로 매우 약한 변환을 검출하기 위해 설계되었다.가설이 맞다면 8테슬라 자석과 극저온 냉각된 고Q 튜닝 마이크로파 공동으로 구성된 기구가 차축의 광자 전환을 자극해야 한다.공동의 공명 주파수를 축 질량에 맞추면 은하수 후광과 ADMX의 자기장 내 인근 축간 상호작용이 강화된다.이것은 아주 적은 양의 힘(요토와트 이하)을 충치에 넣는 결과를 낳는다.

매우 민감한 마이크로파 수신기는 소음으로부터 매우 약한 축 신호를 추출할 수 있게 한다.실험 수신기는 이국적인 초전도 QUID(초전도 QUANTum Interference Device) 증폭기에 의해 전달되는 양자 제한 소음 성능과 He 냉장고에서 나오는 저온 성능을 특징으로 한다.ADMX는 실제 암흑물질 축 질량과 커플링에 민감한 첫 실험이며, 개선된 검출기는 더욱 민감한 검색을 가능하게 한다.

ADMX 자석은 워싱턴 대학교에 설치되고 있다.바닥 아래에 설치되었지만 검출기는 표면 실험실에 있다.

충치

자석 보어 내부의 마이크로파 공동은 ADMX의 심장에 있으며 길이 1m, 지름 0.5m의 원형 실린더다.ADMX는 캐비티 내 튜닝 로드 2개의 위치를 조정하여 캐비티 공명 주파수를 천천히 스캔하여 차축을 검색한다.충치 공명 주파수가 축 질량과 일치하면 신호가 나타난다.

액시온 붕괴로부터의 예상 신호는 너무 작아서 전체 실험이 액체 헬륨 냉장고로 4.2 켈빈 이하로 냉각되어 열 소음을 최소화한다.캐비티 안의 전기장은 초저소음 마이크로파 수신기에 연결된 작은 안테나를 통해 샘플링된다.

수신기

초저소음 마이크로파 수신기가 실험을 가능하게 한다.주된 배경은 캐비티와 수신기 전자장치에서 발생하는 열 소음이다.캐비티의 신호는 이국적인 극저온성 초전도 QUID(초전도 QUantum Interference Device) 앰프에 이어 초저소음 극저온 HFET 앰프를 통해 증폭된다.그런 다음 수신기는 전자파 캐비티 주파수를 쉽게 디지털화하고 저장할 수 있는 더 낮은 주파수로 변환한다.수신기 체인은 0.01 요토와트보다 작은 전원에 민감하다. 이것은 생산 환경에서 세계에서 가장 낮은 소음의 마이크로파 수신기다.

진행

ADMX는 이미 축이 은하수의 후광을 포화시킨다고 가정했을 때 두 축 벤치마크 모델 중 하나를 1.9μeV에서 3.53μeV로 제거했다.[2]ADMX는 향후 10년 이내에 2μeV에서 20μeV의 암흑 물질 축을 배제하거나 발견하기를 희망한다.ADMX는 "Definitive 실험"으로 업그레이드를 진행 중이며, 이는 매우 광범위한 암흑 물질 축 질량과 커플링에 민감하다.SQUID 앰프 업그레이드와 희석냉장고 추가로 감도가 더욱 높아질 것이다.

SQUID 증폭기

몇 년 전, ADMX 증폭기 소음 온도는 약 2K였다.최근 증폭기는 SQUID 증폭기로 대체되어 소음(100mK 미만으로)을 크게 낮추고 감도를 크게 향상시켰다.ADMX는 SQUID 앰프가 양자 제한 전력 감도를 허용한다는 것을 입증했다.최근에는 ADMX가 더 높은 주파수에서 양자 노이즈 제한 검색을 허용하는 Josephson Parametric Amplicer를 인수했다.

희석냉장고

주요기사 : 희석냉장고

희석냉장고 추가는 ADMX 업그레이드 프로그램의 주안점이다.희석냉장고는 100mK 이하로 기기를 냉각시켜 소음을 0.15K로 줄여 데이터가 400배 더 빠르게 촬영할 수 있다.이것은 그것을 "정의적 실험"으로 만든다.

관련 검색

예일대학에서 주최하는 예일대학의 Axion CDM에 민감한 Haystac(이전의 ADMX-High Frequency)의 Haystac(이전의 ADMX-High Frequency)은 반경 5 cm, 높이 25 cm의 Josephson 파라메트릭 앰프, 9 T 자석, 마이크로파 캐비티를 사용하여 19–24 µeV의 질량을 검색하고 있다.

참조

  1. ^ Sikivie, P. (1983). "Experimental Tests of the "Invisible" Axion". Physical Review Letters. 51 (16): 1415. Bibcode:1983PhRvL..51.1415S. doi:10.1103/PhysRevLett.51.1415.
  2. ^ The ADMX Collaboration; Asztalos, S.J.; Carosi, G.; Hagmann, C.; Kinion, D.; van Bibber, K.; Hotz, M.; Rosenberg, L.; Rybka, G.; Hoskins, J.; Hwang, J.; Sikivie, P.; Tanner, D. B.; Bradley, R.; Clarke, J. (28 January 2010). "A SQUID-based microwave cavity search for dark-matter axions". Physical Review Letters. 104 (4): 041301. arXiv:0910.5914. Bibcode:2010PhRvL.104d1301A. doi:10.1103/PhysRevLett.104.041301. PMID 20366699. S2CID 35365606.

외부 링크