El CERN Axion Solar Telescope ( CAST ) es un experimento en física de astropartículas para buscar axiones que se originan en el Sol . El experimento, ubicado en el CERN en Suiza, se encargó en 1999 y se puso en marcha en 2002 con la primera ejecución de toma de datos a partir de mayo de 2003. La detección exitosa de axiones solares constituiría un descubrimiento importante en la física de partículas , y también abriría una nueva ventana a la astrofísica del núcleo solar.
CAST es actualmente el helioscopio de axiones más sensible. [1]
Teoría y operación
Si existen axiones , pueden producirse en el núcleo del Sol cuando los rayos X dispersan electrones y protones en presencia de fuertes campos eléctricos . La configuración experimental se basa en un imán de prueba retirado de 9,26 m de largo para el LHC capaz de producir un campo de hasta9.5 T . Se espera que este fuerte campo magnético convierta los axiones solares nuevamente en rayos X para su posterior detección por detectores de rayos X. El telescopio observa el Sol durante aproximadamente 1,5 horas al amanecer y otras 1,5 horas al atardecer todos los días. Las 21 horas restantes, con el instrumento apuntando en dirección opuesta al Sol, se dedican a medir los niveles de axiones de fondo.
CAST comenzó a operar en 2003 buscando axiones hasta 0,02 eV . En 2005, se agregó helio-4 al imán, extendiendo la sensibilidad a masas de hasta 0,39 eV, luego se utilizó helio-3 durante 2008-2011 para masas de hasta 1,15 eV. Luego, CAST volvió a funcionar con vacío en busca de axiones por debajo de 0,02 eV.
A partir de 2014, CAST no ha presentado evidencia definitiva de axiones solares. Ha reducido considerablemente el rango de parámetros donde pueden existir estas partículas elusivas. CAST ha establecido límites significativos en el acoplamiento de axiones a electrones [2] y fotones. [3]
Un artículo de 2017 que utilizó datos de la ejecución de 2013-2015 informó un nuevo mejor límite en el acoplamiento axión-fotón de 0,66 × 10 −10 / GeV. [4] [5]
Basado en la experiencia de CAST, se ha propuesto un helioscopio de axiones de nueva generación mucho más grande, el Observatorio Internacional de Axiones (IAXO), que ahora está en preparación. [6]
Detectores CAST
El CAST se centra en los axiones solares utilizando un helioscopio , que es un prototipo de imán dipolo superconductor del LHC de 9,2 m . El imán superconductor se mantiene manteniéndolo constantemente a 1,8 Kelvin utilizando helio superfluido . Hay dos taladros magnéticos de 43 mm de diámetro y 9,26 m de longitud con detectores de rayos X colocados en todos los extremos. Estos detectores son sensibles a los fotones de la conversión Primakoff inversa de los axiones solares. Los dos telescopios de rayos X de CAST miden tanto la señal como el fondo simultáneamente con el mismo detector y reducen las incertidumbres sistemáticas . [7] [8]
Entre 2003 y 2013, los siguientes tres detectores se conectaron a los extremos del imán dipolo, todos basados en el efecto Primakoff inverso, para detectar los fotones convertidos de los axiones solares. [9]
- Detectores de cámara de proyección de tiempo convencional (TPC).
- MICROMEGAS Detectores de estructuras gaseosas (MICROMEGAS).
- Telescopio de rayos X con un dispositivo de acoplamiento cargado (CCD).
Después de 2013, se instalaron varios detectores nuevos, como RADES, GridPix y KWISP, con objetivos modificados y tecnologías mejoradas recientemente. [10]
Detectores de cámara de proyección de tiempo convencional (TPC)
TPC es un tipo de detector de cámaras de deriva llenas de gas, diseñado para detectar las señales de rayos X de baja intensidad en CAST. Las interacciones en este detector tienen lugar en una cámara gaseosa muy grande y producen electrones ionizantes. Estos electrones viajan hacia la cámara proporcional de cables múltiples (MWPC), donde la señal se amplifica a través del proceso de avalancha. [11]
Detectores de estructuras gaseosas MICROMEsh (MICROMEGAS)
Este detector funcionó durante el período 2002-2004. Es un detector gaseoso y se utilizó principalmente para detectar rayos X en el rango de energía de 1-10 KeV. El detector en sí estaba compuesto por materiales poco radiactivos. La elección del material se basó principalmente en reducir el ruido de fondo, y Micromegas logró un rechazo de fondo significativamente bajo de6 × 10 −7 cuentas · keV −1 · cm −2 · s −1 sin ningún blindaje. [10] [12]
Telescopio de rayos X con un dispositivo de acoplamiento cargado (CCD)
Este detector tiene un chip pn-CCD ubicado en el plano focal del telescopio de rayos X. El telescopio de rayos X se basa en el popular concepto de óptica de espejo Wolter-I. Esta técnica se utiliza ampliamente en casi todos los telescopios de astronomía de rayos X. Su espejo está formado por 27 conchas de níquel bañadas en oro. Estas capas parabólicas e hiperbólicas están dispuestas confocalmente para optimizar la resolución. La carcasa más grande tiene 163 mm de diámetro, mientras que la más pequeña tiene 76 mm. El sistema de espejo general tiene una distancia focal de 1,6 m. [9] [13] Este detector logró una relación señal / ruido notablemente buena al enfocar los axiones creados dentro de la cámara del campo magnético en pequeños, aproximadamente pocosárea. [12]
GridPix
En 2016, se instaló el detector GridPix para detectar los rayos X suaves (rango de energía de 200eV a 10KeV) generados por los camaleones solares a través del efecto primakoff. Durante el período de búsqueda de 2014 a 2015, la relación señal / ruido detectada estuvo por debajo de los niveles requeridos. [14]
Detector de rayos X basado en InGrid
El único objetivo de este detector es mejorar la sensibilidad de CAST a los umbrales de energía alrededor del rango de 1 KeV. Se trata de un detector sensible mejorado instalado en 2014 detrás del telescopio de rayos X, para la búsqueda de camaleones solares que tienen un umbral de energía bajo. El detector InGrid y su lectura granular de la almohadilla Timepix con un umbral de baja energía de 0.1 KeV para la detección de fotones caza los camaleones solares en este rango. [8] [15]
Configuración exploratoria de materia oscura Relic Axion (RADES)
El RADES comenzó a buscar materia oscura similar a un axión en 2018, y los primeros resultados de este detector se publicaron a principios de 2021. Aunque no se detectó ninguna señal de axión significativa por encima del ruido de fondo durante el período 2018-2021, RADES se convirtió en el primer detector en buscar axiones arriba . El helioscopio CAST (mira al sol) se hizo un haloscopio (mira el halo galáctico) a finales de 2017. [7] El detector RADES adjunto a este haloscopio tiene un iris alterno de 1 m de largo, una cavidad de acero inoxidable capaz de buscar axiones de materia oscura alrededor.. Se están estudiando nuevas perspectivas de mejorar el sistema detector con mejoras como cavidades superconductoras y afinaciones ferromagnéticas . [dieciséis]
KWISP
KWISP en CAST está diseñado para detectar el acoplamiento de camaleones solares con partículas de materia. Utiliza un sensor de fuerza optomecánico muy sensible , capaz de detectar un desplazamiento en una fina membrana causado por los efectos mecánicos de las interacciones del camaleón solar. [17] [18]
CAST-CAPP
Este detector tiene un delicado mecanismo de afinación, hecho de 2 placas de zafiro paralelas y activado por un motor piezoeléctrico . El ajuste máximo corresponde a masas de axiones entre 21-23 μeV. El detector CAST-CAPP también es sensible a las corrientes cosmológicas o de mareas de axiones de materia oscura y a los minicúmulos de axiones teorizados. En CAPP, Corea del Sur, se está desarrollando una versión más nueva y mejor de CAPP. [19] [8]
Referencias
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enlaces externos
- "El experimento Axion hace su debut" . physicsworld.com . Web de física. 24 de noviembre de 2004.
- "El experimento CAST restringe los axiones solares" . cerncourier.com. 19 de mayo de 2017.
- "Experimento CAST" . Suiza: CERN .
- "REPARTO" . España: UNIZAR.
- "REPARTO" . Alemania: TUD. Archivado desde el original el 18 de marzo de 2009.