The Cast Experiment At Cern Το Πείραμα Cast Στο Cern

Abstract

Η εισαγωγή της γωνίας θ στη λαγκρανζιανή της κβαντικής χρωμοδυναμικής ως λύση στο U(1)A πρόβλημα υποδηλώνει την παραβίαση της συμμετρίας φορτίου-ομοτιμίας στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Το φαινόμενο αυτό ωστόσο δεν παρατηρείται, γεγονός που οδηγεί στο ισχυρό πρόβλημα φορτίου-ομοτιμίας. Από πειραματικά αποτελέσματα, η ηλεκτρική διπολική ροπή του νετρονίου και επομένως η γωνία θ έχει τιμή τάξεις μεγέθους μικρότερη από την αναμενόμενη. Μια προτεινόμενη λύση συμπεριλαμβάνει μια νέα συμμετρία, την Peccei-Quinn συμμετρία, η παραβίαση της οποίας προβλέπει την ύπαρξη ενός Nambu-Goldstone μποζονίου, του αξιονίου. Τα χαρακτηριστικά του σωματιδίου αυτού, η μάζα και η σταθερά ζεύξης του, είναι αντιστρόφως ανάλογα της κλίμακας fa στην οποία γίνεται η παραβίαση. Τα αξιόνια αναμένεται να παράγονται στους πυρήνες αστέρων, να διαφεύγουν και να αποτελούν βασικό μηχανικό απώλειας ενέργειας, επηρεάζοντας την εξέλιξη των άστρων. Επομένως, αστροφυσικοί και κοσμολογικοί περιορισμοί θέτουν όρια στην μάζα και την σταθερά ζεύξης των αξιονίων. Το σωματίδιο αυτό πιθανόν να παράγεται και σε αντιδράσεις που διαδραματίζονται στον ήλιο. Η μέση ενέργεια της αναμενομενης ροής αξιονίων υπολογίζεται στα 4.2 keV. Ανάλογα με την πυκνότητα και την μάζα τους, αποτελούν υποψήφιους της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Το πείραμα CERN Axion Solar telescope (CAST) είναι ενα αστροσωματιδιακό πείραμα στο CERNτοοποίοαναζητάαπότο2003αξιόνια. Ητεχνικήανίχνευσηςπουεφαρμόζεταιστηρίζεται στο φαινόμενο Primakoff . Εντός ισχυρού ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου η αλληλεπίδραση δύο φωτονίων μπορεί να οδηγήσει σε παραγωγή αξιονίων και αντιστρόφως η αλληλεπίδραση ενός αξιονίου με ένα δυνητικό φωτόνιο σε ανιχνεύσιμο φωτόνιο. Το κύριο συστατικό μέρος του πειράματος είναι ένας διπολικό μαγνήτης 10 μέτρων, με μαγνητικό πεδίο 8.7 Τ. Ο μαγνήτης ειναι τοποθετημένος σε κινητή πλατφόρμα που επιτρέπει την κίνηση του ±8 στην κάθετη και ±40 στην οριζόντια κατεύθυνση. Ο μαγνήτης ακολουθεί τον ήλιο 90 λεπτά κατά την διάρκεια της ανατολής και της δύσης, ενώ οι υπόλοιπες ώρες αφιεριερώνονται σε μετρήσεις υποβάθρου. Στην πρώτη φάση του πειράματος, με κενό εντός του μαγνήτη, οι έρευνες απέκλεισαν μάζες αξιονίων έως 0.02 eV. Για μεγαλύτερες μάζες αξιονίων, προστέθηκε αέριο εντός του μαγνήτη, αρχικά 4He και στη συνέχεια 3He. Για πρώτη φορά, οι έρευνες εισήλθαν εντός της θεωρητικά αναμενόμενης περιοχής και υπερκαλύφτηκε ένα μέρος της περιοχής του μοντέλου KSVZ. Στην τρίτη φάση του πειράματος, επαναλήφθηκαν οι μετρήσεις με 4He , προκειμένου να αναθεωρηθούν τα αποτελέσματα της δεύτερης φάσης με αυξημένη ευαισθησία των ανιχνευτών και περισσότερες μετρήσεις. Κατά τη διάρκεια της τέταρτης φάσης, με κενό εντός του μαγνήτη, χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά ανιχνευτές ευαίσθητοι σε sub-keV ενέργειες και έγιναν οι πρώτες έρευνες για ηλιακούς χαμαιλέοντες.Το CAST ολοκλήρωσε τις έρευνες ηλιακών αξιονίων και επικεντρώνεται στην αναζήτηση κοσμικών αξιονίων. Σε αντίθεση με τα υπόλοιπα πειράματα στα οποία γίνεται χρήση ενός σωληνοειδούς μαγνήτη με κυλινδρικές κοιλότητες, στο CAST ορθογώνιες κοιλότητες θα τοποθετηθούν στο εσωτερικό του διπολικού μαγνήτη. Η πιθανότητα μετατροπής ενός αξιονίου σε φωτόνιο μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα συντονισμού της κοιλότητας είναι ίση με την ενέργεια του αξιονίου. Προκειμένου οι έρευνες να επεκταθούν σε ένα ευρύ φάσμα μαζών απαιτείται η χρήση ενός μηχανισμού απαραίτητου για το συντονισμό της κοιλότητας σε διαφορετικές συχνότητες. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στα αξιόνια και στις ιδιότητες τους. Μια περιγραφή των επιμέρους υποσυστημάτων του πειράματος καθώς και τα αποτελέσματα του παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 2. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στα συστήματα λήψης δεδομένων και τα συστήματα ελέγχου του πειράματος. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνονται αναλυτικές περιγραφές των πιο βασικών λογισμικών που επιβλέπουν τα υποσυστήματα του πειράματος καθώς και την κίνηση του μαγνήτη. Οι ιδιότητες του ανιχνευτη ολίσθησης πυριτίου, που τοποθετήθηκε στο πείραμα το 2013 και πλέον χρησιμοποιείται στο εργαστήριο του πειράματος, παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 4. Στο τελευταίο κεφάλαιο περιλαμβάνεται η περιγραφή των μικροκυματικών κοιλοτήτων που θα τοποθετηθούν στο εσωτερικό του μαγνήτη τους επόμενους μήνες.