Telescopio solare Axion del CERN: cos’è, esperimento di fisica

L’ Axion Solar Telescope ( CAST ) del CERN è un esperimento di fisica delle astroparticelle per la ricerca di assioni provenienti dal Sole . L’esperimento, presso il CERN in Svizzera, è stato commissionato nel 1999 ed è diventato online nel 2002 con la prima raccolta di dati iniziata nel maggio 2003. Il rilevamento riuscito delle assioni solari avrebbe avuto un’importante scoperta nella fisica delle particelle e si aprirebbe anche una nuova finestra sull’astrofisica del nucleo solare.

L'interno di un magazzino contenente un lungo cilindro blu circondato da impalcature e tubature.

LANCIO. Il magnete del telescopio (blu) ruota sul lato destro, mentre il gantry giallo sulla sinistra dell’immagine rotola lungo una pista circolare nel pavimento e alza e abbassa il lato sinistro per seguire il sole.

CAST è attualmente l’elioscopio axion più sensibile.

Teoria e operazione

Se le assioni esistono, possono essere prodotti nel nucleo del Sole quando i raggi X disperdono elettroni e protoni in presenza di forti campi elettrici . La configurazione sperimentale è costruita attorno a un magnete di prova dismesso lungo 9,26 m per LHC in grado di produrre un campo fino a . Questo forte campo magnetico dovrebbe riconvertire gli assioni solari in raggi X per il successivo rilevamento da parte dei rivelatori di raggi X. Il telescopio osserva il Sole per circa 1,5 ore all’alba e altre 1,5 ore al tramonto ogni giorno. Le restanti 21 ore, con lo strumento puntato lontano dal Sole, vengono impiegate misurando i livelli di assioni di fondo.

Membri della collaborazione CAST, 2011

CAST ha iniziato ad operare nel 2003 alla ricerca di assioni fino a . Nel 2005, l’elio-4 è stato aggiunto al magnete, estendendo la sensibilità a masse fino a 0,39 eV, quindi l’elio-3 è stato utilizzato nel periodo 2008-2011 per masse fino a 1,15 eV. CAST ha quindi funzionato nuovamente con il vuoto alla ricerca di assioni inferiori a 0,02 eV.

A partire dal 2014, CAST non ha fornito prove definitive per assioni solari. Ha notevolmente ristretto la gamma di parametri in cui possono esistere queste particelle sfuggenti. CAST ha fissato limiti significativi all’accoppiamento di assioni a elettroni e fotoni.

Un documento del 2017 che utilizzava i dati della corsa 2013-2015 riportava un nuovo miglior limite sull’accoppiamento assione-fotone di 0,66 × 10 −10  /  GeV.

Basato sull’esperienza di CAST, è stato proposto un elioscopio assionale di nuova generazione molto più grande, l’ International Axion Observatory (IAXO), che è ora in fase di preparazione.

Rivelatori CAST

Il CAST si concentra sugli assioni solari utilizzando un elioscopio , che è un prototipo di magnete a dipolo LHC superconduttore di 9,2 m . Il magnete superconduttivo viene mantenuto mantenendolo costantemente a 1,8 Kelvin usando elio superfluido . Ci sono due fori magnetici di 43 mm di diametro e 9,26 m di lunghezza con rilevatori di raggi X posti a tutte le estremità. Questi rivelatori sono sensibili ai fotoni dalla conversione inversa di Primakoff degli assioni solari. I due telescopi a raggi X di CAST misurano sia il segnale che lo sfondo contemporaneamente con lo stesso rivelatore e riducono le incertezze sistematiche.

Tra il 2003 e il 2013, i seguenti tre rivelatori sono stati attaccati alle estremità del dipolo magnetico, tutti basati sull’effetto Primakoff inverso, per rilevare i fotoni convertiti dagli assioni solari.

  1. Rivelatori convenzionali a camera di proiezione del tempo (TPC).
  2. Rivelatori MICROMEsh a struttura gassosa (MICROMEGAS).
  3. Telescopio a raggi X con dispositivo a coppia carica (CCD).

Dopo il 2013 sono stati installati diversi nuovi rilevatori come RADES, GridPix e KWISP, con obiettivi modificati e tecnologie recentemente migliorate.

Rivelatori a camera a proiezione temporale convenzionale (TPC)

Il TPC è un tipo di rivelatore con camere a deriva riempite di gas, progettato per rilevare i segnali di raggi X a bassa intensità a CAST. Le interazioni in questo rivelatore avvengono in una camera gassosa molto grande e producono elettroni ionizzanti. Questi elettroni viaggiano verso la Multiwire Proportional Chamber (MWPC), dove il segnale viene poi amplificato attraverso il processo a valanga.

Rivelatori a struttura gassosa MICROMEsh (MICROMEGAS)

Questo rilevatore ha funzionato nel periodo 2002-2004. È un rivelatore di gas ed è stato utilizzato principalmente per rilevare i raggi X nell’intervallo di energia di 1-10 KeV. Il rivelatore stesso era costituito da materiali a bassa radioattività. La scelta del materiale si è basata principalmente sulla riduzione del rumore di fondo e Micromegas ha ottenuto una reiezione di fondo significativamente bassa senza alcuna schermatura.

Telescopio a raggi X con dispositivo a coppia carica (CCD)

Questo rivelatore ha un chip pn-CCD situato sul piano focale del telescopio a raggi X. Il telescopio a raggi X si basa sul popolare concetto di ottica a specchio Wolter-I. Questa tecnica è ampiamente utilizzata in quasi tutti i telescopi per l’astronomia a raggi X. Il suo specchio è composto da 27 gusci di nichel rivestiti in oro. Questi gusci parabolici e iperbolici sono disposti confocalmente per ottimizzare la risoluzione. Il guscio più grande ha un diametro di 163 mm, mentre il più piccolo è di 76 mm. Il sistema di specchi complessivo ha una lunghezza focale di 1,6 m. Questo rivelatore ha raggiunto un ottimo rapporto segnale/rumore focalizzando gli assioni creati all’interno della camera del campo magnetico su piccoli, circa pochi{\displaystyle mm^{2}}la zona.

Rilevatore GridPix

Nel 2016, il rivelatore GridPix è stato installato per rilevare i raggi X morbidi (range di energia da 200eV a 10KeV) generati dai camaleonti solari attraverso l’effetto primakoff. Durante il periodo di ricerca dal 2014 al 2015 il rapporto segnale/rumore rilevato è stato inferiore ai livelli richiesti.

Rilevatore di raggi X basato su InGrid

L’unico scopo di questo rivelatore è migliorare la sensibilità del CAST a soglie di energia intorno a 1 KeV. Si tratta di un rivelatore sensibile migliorato installato nel 2014 dietro il telescopio a raggi X, per la ricerca di camaleonti solari che hanno energie di soglia basse. Il rivelatore InGrid e la sua lettura granulare del pad Timepix con soglia di bassa energia di 0,1 KeV per il rilevamento dei fotoni caccia i camaleonti solari in questo intervallo.

Un membro dell’esperimento CAST che lavora al rivelatore RADES

Reliquia Axion Configurazione esplorativa della materia oscura (RADES)

Il RADES ha iniziato a cercare materia oscura simile ad assioni nel 2018 e i primi risultati di questo rivelatore sono stati pubblicati all’inizio del 2021. Sebbene nessun segnale di assioni significativo sia stato rilevato al di sopra del rumore di fondo durante il periodo 2018-2021, RADES è diventato il primo rivelatore a cerca gli assi sopra{\displaystyle 30\mu eV}. L’elioscopio CAST (guarda il sole) è stato trasformato in un alone (guarda l’alone galattico) alla fine del 2017. Il rilevatore RADES collegato a questo haloscopio ha un’iride alternata lunga 1 m e una cavità in acciaio inossidabile in grado di cercare assioni di materia oscura intorno{\ displaystyle 34 \ mu eV}. Sono allo studio ulteriori prospettive di miglioramento del sistema di rivelazione con miglioramenti come cavità superconduttive e accordature ferromagnetiche .

Rilevatore KWISP

KWISP presso CAST è progettato per rilevare l’accoppiamento di camaleonti solari con particelle di materia. Utilizza un sensore di forza optomeccanico molto sensibile , in grado di rilevare uno spostamento in una sottile membrana causato dagli effetti meccanici delle interazioni del camaleonte solare.

CAST-CAPP

Questo rivelatore ha un delicato meccanismo di sintonia, composto da 2 piastre parallele in zaffiro e attivato da un motore piezoelettrico . La sintonizzazione massima corrisponde a masse di assioni comprese tra 21-23 μeV. Il rivelatore CAST-CAPP è anche sensibile ai flussi di marea o cosmologici di assioni di materia oscura e ai mini-cluster di assioni teorizzati. Una versione più recente e migliore di CAPP è in fase di sviluppo presso CAPP, in Corea del Sud.

CAST risultati

L’esperimento CAST è iniziato con l’obiettivo di ideare nuovi metodi e implementare nuove tecnologie per il rilevamento degli assioni solari. A causa del campo interdisciplinare e interconnesso degli studi sugli assioni, sulla materia oscura , sull’energia oscura e sulle particelle esotiche simili agli assioni, le nuove collaborazioni del CAST hanno ampliato la loro ricerca nell’ampio campo della fisica delle astroparticelle . I risultati di questi diversi domini sono descritti di seguito.

Vincoli sugli assioni

Esperimento NA64

Durante i primi anni, il rilevamento dell’assione era l’obiettivo principale di CAST. Sebbene l’esperimento CAST non abbia ancora osservato direttamente gli assioni, ha vincolato i parametri di ricerca. La massa e la costante di accoppiamento di un assione sono aspetti primari della sua rilevabilità. In quasi 20 anni del periodo di funzionamento, CAST ha aggiunto dettagli e limitazioni molto significativi alle proprietà degli assioni solari e delle particelle simili ad assioni. Nel periodo di esecuzione iniziale, i primi tre rivelatori CAST impostano un limite superiore di {\displaystyle \mathrm {8,8\volte 10^{-11}GeV^{-1}}}Su{\displaystyle g_{a\gamma}}(parametro per l’accoppiamento assone-fotone) con un limite di confidenza del 95% (CL) per la massa dell’assione- {\ displaystyle \ mathrm {m_ {a} \ lesssim 0,02 eV}}. Per l’intervallo di massa dell’assione tra {\ Displaystyle \ mathrm {34,6771 \ mu eV}}e{\ displaystyle \ mathrm {34,6738 \ mu eV}}, RADES ha vincolato la costante di accoppiamento assone-fotone{\displaystyle \mathrm {g_{a\gamma}\gtrsim 4\times 10^{-13}GeV^{-1}} }con solo circa il 5% di errore. I risultati più recenti, nel 2017, hanno fissato un limite massimo {\displaystyle g_{a\gamma}} {\displaystyle \mathrm {<0,66\times 10^{-10}GeV^{-1}}}(con 95% CL) per tutti gli assioni con masse inferiori a 0,02 eV. CAST ha quindi migliorato i precedenti limiti astrofisici e ha sondato numerosi modelli di assioni rilevanti di massa sub-elettronvolt.

Cerca la materia oscura

CAST è stato in grado di vincolare la costante di accoppiamento assone-fotone dal settore molto basso fino al settore della materia oscura calda ; e l’attuale gamma di ricerca si sovrappone all’attuale legame di materia oscura calda cosmica che è la massa di assioni,{\displaystyle m_{a}\lesssim 0.9eV}. I nuovi rivelatori del CAST stanno anche cercando candidati di materia oscura come i camaleonti solari ei farafotoni, nonché gli assioni reliquie del Big bang e dell’inflazione . Alla fine del 2017, l’elioscopio CAST, che originariamente era alla ricerca di assioni solari e ALP, è stato convertito in un alone per cercare il vento di materia oscura nell’alone galattico della Via Lattea mentre attraversa la Terra. Si pensa che questa idea di flusso di vento scuro influenzi e causi l’orientamento casuale e anisotropo dei brillamenti solari , per i quali l’aloscopio CAST fungerà da banco di prova.

Cerca Energia Oscura

Nel dominio dell’energia oscura CAST sta attualmente cercando le firme di un camaleonte, che si ipotizza sia una particella prodotta quando l’energia oscura interagisce con i fotoni. Quest’area è attualmente nelle sue fasi iniziali, in cui vengono teorizzate possibili modalità di accoppiamento delle particelle di energia oscura con la materia normale. Usando il rivelatore GridPix, il limite superiore della costante di accoppiamento del fotone camaleonte-{\ displaystyle \ beta _ {\ gamma}}era determinato ad essere uguale a {\displaystyle 5,74\volte 10^{10}}per{\ displaystyle \ beta _ {m}}(costante di accoppiamento della materia camaleonte) nell’intervallo da 1 a{\displaystyle 10^{6}}. Il rivelatore KWISP ha ottenuto un limite superiore alla forza che agisce sulla sua membrana del rivelatore a causa dei camaleonti come{\ displaystyle 44 \ pm 18}pNewton, che corrisponde a una specifica zona di esclusione in{\ displaystyle \ beta _ {\ gamma}}{\ displaystyle \ beta _ {m}}piano e integra i risultati ottenuti da GridPix.


https://en.wikipedia.org/wiki/CERN_Axion_Solar_Telescope

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