Введение

Эксперимент в области астрочастичной физики, расположенный в ЦЕРН в Швейцарии.

CERN Axion Solar Telescope (CAST) – это эксперимент в области астрочастичной физики, предназначенный для поиска аксионов, возникающих в Солнце. Эксперимент, расположенный в ЦЕРН в Швейцарии, был введен в эксплуатацию в 1999 году и начал работу в 2002 году, а первый сбор данных начался в мае 2003 года. Успешное обнаружение солнечных аксионов стало бы важным открытием в физике частиц и открыло бы совершенно новое направление в изучении астрофизики солнечного ядра. В настоящее время CAST является самым чувствительным аксионным гелиоскопом.

Теория и действие

Если аксионы существуют, они могут образовываться в ядре Солнца, когда рентгеновские лучи рассеиваются на электронах и протонах в присутствии сильных электрических полей. Экспериментальная установка построена вокруг выведенного из эксплуатации испытательного магнита длиной 9,26 м, использовавшегося в Большом адронном коллайдере (БАК), способного создавать поле напряженностью до 9,5 Тл. Ожидается, что это сильное магнитное поле будет преобразовывать солнечные аксионы обратно в рентгеновские лучи для последующего детектирования рентгеновскими детекторами. Телескоп наблюдает Солнце около 1,5 часов на восходе и еще 1,5 часа на закате ежедневно. Оставшиеся 21 час, когда прибор направлен в сторону от Солнца, используются для измерения фонового уровня аксионов. Эксперимент CAST начал работу в 2003 году, осуществляя поиск аксионов с массой до 0,02 эВ. В 2005 году в магнит была добавлена среда из гелия-4, что позволило расширить чувствительность до 0,39 эВ, затем в 2008–2011 годах использовался гелий-3 для поиска аксионов с массой до 1,15 эВ. После этого CAST вновь использовал вакуум для поиска аксионов с массой менее 0,02 эВ. По состоянию на 2014 год CAST не обнаружил убедительных доказательств существования солнечных аксионов, но значительно сузил диапазон параметров, в котором могут существовать эти неуловимые частицы, и установил значимые ограничения на силу взаимодействия аксионов с электронами.

Основываясь на опыте, полученном в ходе работы CAST, был предложен и в настоящее время разрабатывается гораздо более крупный аксионный гелиосскоп нового поколения – Международная аксионная обсерватория (IAXO).

Детекторы

CAST фокусируется на солнечных аксионах с помощью гелиоскопа, который представляет собой 9,2-метровый сверхпроводящий прототип дипольного магнита LHC. Сверхпроводящий магнит поддерживается в состоянии 1,8 Кельвина посредством постоянного использования сверхжидкого гелия. Имеются два магнитных канала диаметром 43 мм и длиной 9,2 метра, в которых на обоих концах расположены рентгеновские детекторы. Эти детекторы чувствительны к фотонам, возникающим при обратном преобразовании Примакова солнечных аксионов. Два рентгеновских телескопа CAST одновременно измеряют сигнал и фон с использованием одного и того же детектора, что позволяет снизить систематические погрешности. С 2003 по 2013 год к концам дипольного магнита были подключены три детектора, основанные на обратном эффекте Примакова, для регистрации фотонов, преобразованных из солнечных аксионов: традиционные детекторы с временной проекцией (TPC), детекторы с газообразной структурой MICROMEsh (MICROMEGAS) и рентгеновский телескоп с прибором с зарядовой связью (CCD). После 2013 года были установлены несколько новых детекторов, таких как RADES, GridPix и KWISP, с модифицированными задачами и усовершенствованными технологиями.

Традиционные детекторы с камерной проекцией времени (ТПК)

TPC – это детектор типа газовых дрейфовых камер, разработанный для регистрации рентгеновских сигналов низкой интенсивности в эксперименте CAST. Взаимодействия в этом детекторе происходят в очень большой газовой камере и создают ионизирующие электроны. Эти электроны дрейфуют к многопроводной пропорциональной камере (MWPC), где сигнал усиливается посредством лавинного процесса.

МИКРОМЕШ детекторы газообразных структур (МИКРОМЕГАС)

Этот детектор работал в период с 2002 по 2004 год. Это газовый детектор, который в основном использовался для регистрации рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне 1–10 кэВ. Сам детектор был изготовлен из материалов с низкой радиоактивностью. Выбор материала был обусловлен главным образом снижением фонового шума, и Micromegas обеспечил высокую степень подавления фона – 6, без использования какой-либо защиты.

Рентгеновский телескоп с устройством заряженной пары (CCD)

Этот детектор оснащен pn-CCD чипом, расположенным в фокальной плоскости рентгеновского телескопа. Рентгеновский телескоп основан на широко распространенной концепции зеркальной оптики Вольтера I. Эта технология широко используется практически во всех рентгеновских астрономических телескопах. Его зеркало состоит из 27 никелевых оболочек с золотым покрытием. Эти параболические и гиперболические оболочки расположены конфокально для оптимизации разрешения. Диаметр самой большой оболочки составляет 163 мм, а самой маленькой – 76 мм. Общая система зеркал имеет фокусное расстояние 1,6 м. Этот детектор достиг исключительно высокого отношения сигнал/шум, фокусируя аксионы, созданные внутри камеры магнитного поля, на небольшую область площадью всего несколько единиц измерения.

Рентгеновский детектор на основе InGrid

Единственная цель этого детектора – повысить чувствительность установки CAST к энергетическим порогам в диапазоне около 1 кэВ. Это усовершенствованный чувствительный детектор, установленный в 2014 году за рентгеновским телескопом для поиска солнечных хамелеонов, обладающих низкими пороговыми энергиями. Детектор InGrid и его гранулярная панель Timepix с низким энергетическим порогом 0,1 кэВ для регистрации фотонов осуществляют поиск солнечных хамелеонов в этом диапазоне.

Реликва Axion Dark Matter Exploratory Setup (RADES) (исследовательская установка по изучению темной материи)

RADES начал поиск аксионной темной материи в 2018 году, и первые результаты, полученные этим детектором, были опубликованы в начале 2021 года. Хотя в период с 2018 по 2021 год значимый аксионный сигнал над фоновым шумом обнаружен не был, RADES стал первым детектором, который после гелиоскопа CAST (направленного на Солнце) начал поиск аксионов как галоскоп (направленный на галактическое гало) в конце 2017 года.

Результаты

Эксперимент CAST был начат с целью разработки новых методов и реализации передовых технологий для детектирования солнечных аксионов. В силу междисциплинарного и взаимосвязанного характера исследований аксионов, темной материи, темной энергии и аксионоподобных экзотических частиц, новые коллаборации в CAST расширили сферу своих исследований до широкой области астрочастичной физики. Результаты, полученные в этих различных областях, представлены ниже.

Ограничения на аксионах

В первые годы обнаружение аксиона было основной целью эксперимента CAST. Хотя эксперимент CAST пока не наблюдал аксионы напрямую, он сузил область поиска, наложив ограничения на параметры. Масса и константа связи аксиона являются ключевыми факторами, определяющими возможность его обнаружения. За почти 20 лет работы CAST внес значительный вклад в понимание свойств солнечных аксионов и аксионоподобных частиц, уточнив и ограничив их параметры. В ходе первых измерений первые три детектора CAST установили верхний предел для параметра, определяющего связь аксиона с фотоном, равный с 95%-м уровнем доверия для массы аксиона . Для диапазона масс аксиона от до , RADES ограничил константу связи аксиона с фотоном с погрешностью всего около 5%. Таким образом, CAST улучшил предыдущие астрофизические ограничения и исследовал множество релевантных моделей аксионов с массой менее одного электронвольта.

Поиск темной материи

CAST удалось ограничить константу связи аксиона с фотоном от очень малых значений до области, соответствующей горячей темной материи; текущий диапазон поиска перекрывается с существующим космологическим ограничением на горячую темную материю, выраженным через массу аксиона. В конце 2017 года гелиоскоп CAST, изначально предназначенный для поиска солнечных аксионов и ALP, был переоборудован в галоскоп для обнаружения потока темной материи в галактическом гало Млечного Пути при его пересечении Земли. Предполагается, что этот поток темной материи влияет на случайную и анизотропную ориентацию солнечных вспышек, и галоскоп CAST будет использоваться в качестве платформы для проверки этой гипотезы.

Поиск темной энергии

В области темной энергии CAST в настоящее время ищет признаки хамелеона – гипотетической частицы, возникающей при взаимодействии темной энергии с фотонами. Эта область находится в начальной стадии, на которой разрабатываются теоретические модели взаимодействия частиц темной энергии с обычной материей. С помощью детектора GridPix была определена верхняя граница константы связи фотона и хамелеона, равная для (константы связи хамелеона и материи) в диапазоне от 1 до .