Кіріспе

Астробөлшектер физикасы саласындағы эксперимент, Швейцариядағы CERN-де орналасқан.

CERN Axion Solar Telescope (CAST) – Күннен шығатын аксиондарды іздеуге арналған астробөлшектер физикасы эксперименті. Швейцариядағы CERN-де орналасқан бұл эксперимент 1999 жылы қолға алынып, 2002 жылы іске қосылды, ал алғашқы деректерді жинау 2003 жылдың мамыр айында басталды. Күн аксиондарын табысты анықтау бөлшектер физикасындағы маңызды жаңалық болар еді, сонымен қатар күн ядросының астрофизикасын зерттеуге жаңа мүмкіндіктер ашар еді. CAST қазіргі кездегі ең сезімтал аксион гелиоскопы болып табылады.

Теория және жұмыс

Егер аксиондар бар болса, олар Күннің ядросында рентген сәулелері күшті электр өрістерінің әсерімен электрондар мен протондарды шашыратып жібергенде пайда болуы мүмкін. Эксперименттік орналым 9,5 Теслаға дейін өріс тудыра алатын 9,26 метрлік, бұрынғы LHC сынақ магниті негізінде құрылған. Осы күшті магнит өрісі күн аксиондарын қайтадан рентген сәулелеріне айналдырып, оларды рентген детекторларымен анықтауға мүмкіндік береді деп күтілуде. Телескоп күн шығу кезінде 1,5 сағат, ал күн бату кезінде тағы 1,5 сағат Күнді бақылайды. Қалған 21 сағатта құрал Күннен алысқа бағытталған күйде, фондық аксион деңгейін өлшеуге жұмсалады. CAST 2003 жылы 0,02-ге дейінгі аксиондарды іздеу жұмысын бастады. 2005 жылы магнитке гелий-4 қосылып, сезімталдық 0,39 эВ-қа дейінгі массаларға дейін кеңейтілді, содан кейін 2008-2011 жылдары гелий-3 1,15 эВ-қа дейінгі массалар үшін қолданылды. CAST кейін вакууммен 0,02 эВ-тан төмен аксиондарды іздеуді жалғастырды. 2014 жылға дейін CAST күн аксиондарының нақтылы дәлелін тапқан жоқ. Алайда, бұл әдіс осы сирек бөлшектердің болу мүмкін параметрлерінің ауқымын едәуір тарылтты. CAST электрондармен аксиондардың байланысының маңызды шектерін белгіледі.

CAST тәжірибесінің нәтижелеріне сүйене отырып, халықаралық аксиондық обсерватория (IAXO) – әлдеқайда үлкен, жаңа буын аксиондық гелиоскопы ұсынылды және қазір дайындалуда.

Детektorлар

CAST күн аксиондарын 9,2 метрлік суперөткізгіш LHC прототипі диполь магниті арқылы зерттейді. Суперөткізгіш магнит 1,8 Кельвин температурада сұйық гелийді тұрақты түрде қолдану арқылы сақталады. Оның екі магниттік өтістігі бар, диаметрі 43 мм және ұзындығы 9,2 метр. Барлық ұштарына рентген детекторлары орнатылған. Бұл детекторлар күн аксиондарының кері Примаков конверсиясынан туындаған фотондарға сезімтал. CAST-тың екі рентген телескопы сигналды және фонды бір детектормен бір уақытта өлшеу арқылы жүйелік қателіктерді азайтады. 2003 жылдан 2013 жылға дейін диполь магнитінің ұштарына үш детектор орнатылды, олардың барлығы кері Примаков эффектіне негізделген және күн аксиондарынан конверсияланған фотондарды анықтауға арналған: дәстүрлі уақыт проекциялық камералар (TPC), MICROMEsh газдық құрылым детекторлары (MICROMEGAS) және зарядталған құрылғысы бар рентген телескопы (CCD). 2013 жылдан кейін RADES, GridPix және KWISP сияқты бірнеше жаңа детекторлар орнатылды, олар өзгертілген мақсаттармен және жаңа жетілдірілген технологиялармен жабдықталған.

Кәдімгі уақыт проекция камерасы детекторлары (TPC)

TPC – газбен толтырылған дрейфтік камералар түріндегі детектор, CAST-тағы төмен интенсивтіліктегі рентген сәулелерін анықтауға арналған. Осы детектордағы өзара әрекеттесулер өте үлкен газ камерасында өтеді және иондаушы электрондарды тудырады. Бұл электрондар көп сымды пропорционалдық камераға (MWPC) қарай қозғалады, онда сигнал лавиналық процесте күшейтіледі.

MICROMESH Газдық құрылым детекторлары (MICROMEGAS)

Бұл детектор 2002-2004 жылдар аралығында жұмыс істеді. Бұл газ детекторларының бірі және негізінен 1–10 кэВ энергия диапазонындағы рентген сәулелерін анықтау үшін қолданылды. Детектордың өзі аз радиоактивті материалдардан жасалған. Материалды таңдаудың басты себебі фондық шуды азайту болды, ал Micromegas ешқандай қорғаныссыз-ақ 6 деңгейінде айтарлықтай төмен фондық шуды жоюға қол жеткізді.

Зарядталған жұп құрылғысы бар рентгендік телескоп (CCD)

Бұл детекторда рентгендік телескоптың фокустық жазықтығында орналасқан pn CCD чипі бар. Рентгендік телескоп Wolter I айналы оптикасының танымал концепциясына негізделген. Бұл техника дерлік барлық рентгендік астрономия телескоптарында кеңінен қолданылады. Оның айнасы 27 алтын жалатылған никель қабықшаларынан тұрады. Бұл параболалық және гиперболалық қабықшалар ажыратымдылықты оңтайландыру үшін конфокальды түрде орналастырылған. Ең үлкен қабықтың диаметрі 163 мм, ал ең кішісінің диаметрі 76 мм. Айна жүйесінің жалпы фокустық қашықтығы 1,6 м. Бұл детектор магниттік өріс камерасының ішінде туған аксиондарды шағын, шамамен бірнеше аймаққа шоғырландыру арқылы сигнал-шу қатынасын айтарлықтай жақсартты.

InGrid негізделген рентген детекторы

Бұл детектордың жалғыз мақсаты – CAST-тың 1 КеВ шамасындағы энергиялық шегімдерге сезімталдығын арттыру. Бұл 2014 жылы рентгендік телескоптың артына орнатылған, төмен энергиялық шегі бар күн хамелеондарын іздеуге арналған, жақсартылған сезімтал детектор. InGrid детекторы және оның ұсақ бөлшекті Timepix төсемді оқуы, фотондарды анықтау үшін 0,1 КеВ-қа дейін төмен энергиялық шегімен осы диапазонды күн хамелеондарынан іздейді.

Relic Axion Dark Matter Exploratory Setup (RADES) - Аксионның қараңғы материяны зерттеу қондырғысы

RADES 2018 жылы аксионға ұқсас қараңғы материяны іздеуді бастады, ал бұл детектордың алғашқы нәтижелері 2021 жылдың басында жарияланды. 2018-2021 жылдар аралығында шу фоннан жоғары ешқандай маңызды аксион сигналы анықталмаса да, RADES 2017 жылдың соңында CAST гелиоскобынан (күнге бағытталған) галоскопқа (галактикалық галоға бағытталған) айналдырылып, аксиондарды іздеген алғашқы детектор атанды.

Нәтижелер

CAST эксперименті күн аксиондарын табу үшін жаңа әдістерді жасау және инновациялық технологияларды енгізу мақсатымен басталды. Аксиондарды зерттеу, қара материя, қара энергия және аксионға ұқсас экзотикалық бөлшектердің байланысты және көп салалы болғандықтан, CAST-тағы жаңа ынтымақтастықтар өз зерттеулерін астробөлшек физикасының кең саласына кеңейтті. Осы салалардан алынған нәтижелер төменде сипатталған.

Аксиондарға қойылатын шектеулер

Алғашқы жылдары аксионды анықтау CAST-тың басты мақсаты болды. CAST эксперименті әлі күнге дейін аксиондарды тікелей байқамаса да, іздеу параметрлерін шектеді. Аксионның массасы және байланыс тұрақтысы оның анықталуының негізгі аспектілері болып табылады. Шамамен 20 жылдық жұмыс істеу кезеңінде CAST күн аксиондары мен аксионға ұқсас бөлшектердің қасиеттеріне маңызды мәліметтер қосты және шектеулер енгізді. Бастапқы жұмыс кезеңінде алғашқы үш CAST детекторы аксион-фотон байланысы параметріне 95% сенімділік деңгейінде (CL) аксион массасы үшін жоғарғы шек белгіледі. Аксион массасы диапазоны мен аралығында RADES аксион-фотон байланыс тұрақтысын шамамен 5% қателікпен шектеді. Осылайша CAST бұрынғы астрофизикалық шектерді жақсартты және субэлектрон вольт массасы бар көптеген маңызды аксион модельдерін зерттеді.

Қара материяны іздеу

CAST аксиондық фотон байланыс тұрақтысын өте төмен мәндерден бастап, ыстық қара материя секторына дейін шектеуге қол жеткізді. Қазіргі іздеу диапазоны, аксион массасы болып табылатын, қазіргі ғарыштық ыстық қара материя шегімен сәйкес келеді. 2017 жылдың соңында, бастапқыда күн аксионы мен АЛП-ларды іздеуге арналған CAST гелиоскобы, Жерді кесіп өтетін Сайымен галактикалық галосындағы қара материя ағынын анықтау үшін галоскопқа түрлендірілді. Осы қара ағын идеясы күн жарқындыларының кездейсоқ және анизотроптық бағытына әсер етеді және оны тудырады деп саналады, сондықтан CAST галоскобы осы мақсатта сынақ алаңы ретінде қызмет етеді.

Қара энергияны іздеу

CAST қазіргі уақытта қара энергия саласында фотондармен қара энергияның өзара әрекеттесуі нәтижесінде туындайтын хамелеонның іздерін іздеп отыр, ол қара энергияның фотондармен әрекеттесуі кезінде пайда болатын бөлшек деп болжанады. Бұл сала әлі бастапқы кезеңінде, онда қара энергия бөлшектерінің қалыпты материямен байланысуының мүмкін жолдары теориялық тұрғыдан зерттелуде. GridPix детекторын пайдалану арқылы хамелеон-фотон жұпталу тұрақтысының жоғарғы шегі 1-ден . аралығындағы хамелеон-материя жұпталу тұрақтысы үшін тең деп анықталды.