Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 36 – vyšlo 1. prosince, ročník 4 (2006) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

36/2006

Axionový experiment ADMX

Petr Kulhánek

Problém temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. doslova hýbe současnou fyzikou. Atomární hmota tvoří pouhá 4 % hmoty ve vesmíru, plných 23 % tvoří částice temné hmoty. Pro nás neviditelné a neznámé částice procházející běžnou látkou, o jejichž existenci víme zprostředkovaně jen z gravitačního působení galaxií a kup galaxií. Nejžhavějšími kandidáty chladné temné hmoty jsou wimpsyWIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná. a axionyAxion – hypotetická částice temné hmoty, málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku.. Dnes existuje řada experimentů pokoušející se nalézt oba druhy těchto částic.

Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. Axion – hypotetická částice temné hmoty, málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku. WIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná.

Axiony

Axiony úzce souvisí s narušením CP symetrieCP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. v přírodě. Jde o narušení symetrie fyzikálních dějů, pokud zaměníme fyzikální zařízení za jeho zrcadlový obraz (P symetrie) a všechny částice za antičástice (C symetrie). Narušení CP symetrie bylo pozorováno při rozpadu kaonů již v roce 1964 J. Croninem a V. Fitchem. Šlo o narušení CP symetrie při slabé interakciSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). a od té doby bylo pozorováno mnohokrát. Teorie ovšem předpovídá, že by narušení CP symetrie mělo být pozorovatelné i při silné interakciSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).. V tomto sektoru však nikdy potvrzeno nebylo. V roce 1977 navrhli Roberto Peccei a Helen Quinn ze Stanfordské univerzity nový druh fyzikální symetrie, která vysvětluje negativní výsledek pokusů s narušením CP symetrie v silné interakci. S touto symetrií je spojena existence částice, kterou dnes nazýváme axion.

Axion by měl mít nulový spin a interagovat kromě gravitační interakce jen slabou interakcí. Jeho hmotnost se odhaduje na přibližně 10⁻⁵ eV. Velké množství axionů (tzv. reliktních axionů) mělo vznikat těsně po Velkém třesku. Jejich zachycení by znamenalo otevření nového okna do minulosti našeho vesmíru. Axiony by ale měly vznikat i v nitru hvězd při rozptylu vysoce energetických fotonů na nabitých částicích (tzv. Primakovův jev). V Aldebaran Bulletinu 22/2006 jsme referovali o italském experimentu PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení bylo mylně vysvětlováno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. z počátku roku 2006 a připravovaném experimentu s laserem FLASHFLASH – Free-electron LASer in Hamburg, laser na volných elektronech vybudovaný v německém středisku jaderného výzkumu DESY v blízkosti Hamburgu. Urychlené elektrony jsou vychylovány v undulátoru a generují koherentní paprsek elektromagnetického záření, který je laditelný od UV po měkké RTG. Celé zařízení je dlouhé 260 metrů. Ve výstavbě je již další laser s názvem XFEL, který bude dlouhý 3 kilometry. v DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. v Hamburgu. Další experiment se od roku 1999 připravuje v LLNLLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů..

Projekt ADMX

Axionový experiment v LLNLLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů. započal v roce 1995 a nyní se dostává do své vrcholné fáze. Obdobně jako ostatní experimenty využívá faktu, že v silném magnetickém poli by se axiony měly konvertovat na fotony, v případě zařízení ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) na mikrovlnné fotony. Experimentální zařízení se skládá ze supravodivého magnetu o indukci 8 T, který má hmotnost 6 tun. Magnet je navinutý na vnějšku mědí potaženého ocelového válce. V nitru tohoto válce je rezonanční dutina s dvěma ladicími tyčemi, kterými lze pohybovat krokovými motory a měnit sledovanou frekvenci. Slabý signál axionů konvertovaných na fotony poté prochází zesilovačem.

Schéma axionového detektoru.

Magnet

Magnet je supravodivá cívka skládající se z 37 700 niobo-titanových závitů. Průměr jádra je 60 cm a délka magnetu 100 cm. Vlastní indukčnost magnetu je 534 H. Pole v ose magnetu dosahuje hodnoty 7,92 T, celková energie magnetického pole činí 15 MJ. Zatím největší uložené magnetické energie bylo dosaženo v Oxford Instruments před pěti lety (27 MJ).

Rezonanční dutina

Rezonanční dutinu tvoří metr dlouhý válec kruhového průřezu o průměru 50 cm. Je vyroben z oceli a oplátován mědí. Uvnitř jsou dvě pohyblivé ladicí tyče. Elektrické pole v dutině je sledováno sondou spojenou s ultranízkošumovou elektronikou. Axiony se hledají pomalým skenováním dutiny napříč frekvenčním rozsahem měněným ladicími tyčemi. Kovové ladicí tyče zvýší rezonanční frekvenci dutiny, pokud jsou posunuty směrem k centru dutiny. Naopak dielektrické tyče posunuté do centra dutiny frekvenci sníží.

Pohled shora na rezonanční dutinu, jejíž průměr je 50 cm a výška 1 m.
Vnitřek dutiny je potažen mědí a obsahuje dvě ladicí tyče.

Osazování horní části detektoru.

Přijímač

Ultranízkošumový přijímač je jádrem celého experimentu. Napěťový signál z mikrovlnné dutiny je přiveden do rezonátoru, který ho převede na magnetický tok detekovatelný SQUID elektronikou. Extrémně tiché zesilovače byly vyrobeny v NRAO v polovině 90. let. Přijímač konvertuje mikrovlnný signál v šířce pásma 50 kHz kolem rezonanční frekvence dutiny nejprve na signál s centrální frekvencí 35 kHz. Elektronika poté nalezne spektrum signálu. Sledované 50 kHz pásmo v okolí rezonanční frekvence je rozděleno na 400 kanálů o šířce 125 Hz na každé straně. Pořízeno je 10 000 takových spekter pro každou rezonanční frekvenci, zprůměrováno a uloženo na harddisk spolu s dalšími experimentálními daty. Očekává se, že vlastní axionový signál by měl vytvořit pík ve spektru široký přes 6 kanálů. Dominantním signálem je samozřejmě tepelný šum rezonanční dutiny a přijímací elektroniky.

SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) elektronika

Zařízení konstruované v LLNLLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů. je v tuto chvíli nejcitlivějším zařízením na světě pro detekci axionů. Nejoptimističtější předpovědi hovoří o možnosti detekovat až stovku axionů za sekundu. Pozitivní detekce axionů by znamenala velký pokrok v pochopení temné hmoty a přispěla významnou měrou k porozumění stavby vesmíru jako celku.

Odkazy