Войти
The Axion Dark Matter Experiment (ADMX, также обозначается как Axion Dark Matter eXperiment в документации проекта) использует резонансный микроволновый резонатор внутри большого сверхпроводящего магнита для поиска холодной темной материи аксионов в гало локальной галактики темной материи. Необычный для детектора темной материи, он не расположен глубоко под землей. ADMX, расположенный в Центре экспериментальной ядерной физики и астрофизики (CENPA) при Вашингтонском университете, представляет собой крупный проект, созданный совместно с исследователями из университетов и лабораторий по всему миру.
Аксион изначально гипотетическая элементарная частица постулируется для решения сильной проблемы CP. Аксион также является чрезвычайно привлекательным кандидатом в темную материю. Аксион - это кусок головоломки, позволяющий этим двум загадкам естественным образом вписаться в наше понимание Вселенной.
Первоначально предполагалось, что аксион существует как часть решения «проблемы сильной CP». Эта проблема возникла из наблюдения, что сильная сила, удерживающая ядра вместе, и слабая сила, заставляющая ядра распадаться, различаются по степени CP-нарушения в их взаимодействиях. Слабое взаимодействие должно было влиять на сильные взаимодействия (КХД ), приводя к заметному нарушению КХД CP, но такого нарушения не было. наблюдается с очень высокой точностью. Одним из решений этой проблемы сильной CP является введение новой частицы, называемой аксион. Если аксион очень легкий, он взаимодействует настолько слабо, что его почти невозможно обнаружить, но он будет идеальным кандидатом в темную материю. Эксперимент ADMX направлен на обнаружение этой чрезвычайно слабосвязанной частицы.
Кластер пули: изображение HST с наложениями. Общее прогнозируемое распределение массы, восстановленное на основе сильного и слабого гравитационного линзирования, показано синим, в то время как горячий газ, излучающий рентгеновские лучи, наблюдаемый с помощью Чандры, показан красным. Хотя темная материя не может Если его увидеть напрямую, его гравитационное взаимодействие с привычной материей оставляет безошибочные доказательства его 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 сильной CP-проблемы, 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.
Пьер Сикиви изобрел аксионный галоскоп в 1983 году. После экспериментов меньшего масштаба в Университете Флориды, продемонстрировавших практичность аксионного галоскопа, ADMX был сконструирован в Ливерморская национальная лаборатория в 1995 году. В 2010 году ADMX переехал в Центр экспериментальной физики и астрофизики (CENPA) в Вашингтонском университете. Под руководством доктора Лесли Розенберга ADMX проходит модернизацию, которая позволит ему быть чувствительным к широкому диапазону вероятных масс и связей аксионов темной материи.
Эксперимент (в документации проекта обозначенный как «eXperiment») предназначен для обнаружения очень слабого преобразования аксионов темной материи в микроволновые фотоны в присутствии сильного магнитного поля. Если гипотеза верна, устройство, состоящее из магнита 8 тесла и перестраиваемого микроволнового резонатора с высокой добротностью и криогенным охлаждением, должно стимулировать преобразование аксионов в фотоны. Когда резонансная частота полости настроена на массу аксиона, взаимодействие между соседними аксионами в Млечном Пути гало и магнитным полем ADMX усиливается. Это приводит к вложению в резонатор очень небольшого количества энергии (менее йоктоватта).
Чрезвычайно чувствительный микроволновый приемник позволяет выделить очень слабый аксионный сигнал из шума. Экспериментальный приемник отличается квантово-ограниченными шумовыми характеристиками, обеспечиваемыми экзотическим сверхпроводящим квантовым устройством помех (SQUID), и более низкими температурами от He-холодильника. 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. Несмотря на то, что детектор установлен под полом, он находится в наземной лаборатории. Микроволновая полость внутри отверстия магнита является сердцем 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, чтобы минимизировать тепловой шум. Электрическое поле внутри резонатора измеряется крошечной антенной, подключенной к сверхмалошумящему микроволновому приемнику.
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 следуют сверхмалошумящие криогенные усилители HFET. 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.
ADMX уже устранил одну из двух эталонных моделей аксионов с 1,9 мкэВ до 3,53 мкэВ, предполагая, что аксионы насыщают гало Млечного Пути. 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. Повышенная чувствительность станет возможной с обновлением до SQUID-усилителей и добавлением холодильника разбавления.
Несколько лет назад шумовая температура усилителя ADMX составляла около 2 K. Недавно усилители были заменены усилителями SQUID, которые значительно снизили шум (до менее 100 мК) и значительно улучшили чувствительность. ADMX продемонстрировал, что усилитель SQUID допускает квантово-ограниченную чувствительность по мощности. Совсем недавно компания ADMX приобрела параметрические усилители Джозефсона, которые позволяют ограниченный квантовым шумом поиск на более высоких частотах.
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».
Haloscope в Йельском университете, чувствительный к Axion CDM, или HAYSTAC (ранее известный как ADMX-High Frequency), размещенный в Йельском университете, использует джозефсоновский Параметрический усилитель, магнит на 9 Тл и микроволновый резонатор с радиусом 5 см и высотой 25 см для поиска масс 19–24 мкэВ.
