LANL: Entwicklung der richtigen Werkzeuge für die Suche nach Axion-Partikeln

Im Inneren des neu konstruierten CCM200-Detektors sind die 200 Photomultiplier-Röhren-Lichtsensoren (Kreise) und die Innenwände zu sehen, die mit einem speziellen Material beschichtet sind, um das Argon-Szintillationslicht in sichtbares Licht umzuwandeln, das von den Photomultiplier-Röhren erkannt und dann aufgezeichnet werden kann durch das Datenerfassungssystem. Eine äußere Vetoregion lehnt von außen kommende Ereignisse wie kosmische Strahlung ab. Bild mit freundlicher Genehmigung von LANL

LANL-NEWSVERÖFFENTLICHUNG Seit Axionen vor fast einem halben Jahrhundert erstmals theoretisch vorhergesagt wurden, haben Forscher nach Beweisen für das schwer fassbare Teilchen gesucht, das außerhalb des sichtbaren Universums im dunklen Sektor existieren könnte. Doch wie findet man Teilchen, die man nicht sieht? Die ersten physikalischen Ergebnisse des Coherent CAPTAIN-Mills-Experiments in Los Alamos – die gerade in einer Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review D beschrieben wurden – deuten darauf hin, dass Experimente auf Beschleunigerbasis mit flüssigem Argon ursprünglich darauf ausgelegt waren, nach ähnlich hypothetischen Teilchen wie sterilen Neutrinos zu suchen , kann auch ein ideales Setup für die Suche nach heimlichen Axionen sein.

„Die Bestätigung der Dunkle-Sektor-Teilchen hätte tiefgreifende Auswirkungen auf das Verständnis des Standardmodells der Teilchenphysik sowie auf den Ursprung und die Entwicklung des Universums“, sagte der Physiker Richard Van de Water. „Ein großer Schwerpunkt der Physik-Community liegt auf der Erforschung von Möglichkeiten, diese Teilchen zu erkennen und zu bestätigen. Das Coherent CAPTAIN-Mills-Experiment koppelt bestehende Vorhersagen über Teilchen der Dunklen Materie wie Axionen mit hochintensiven Teilchenbeschleunigern, die in der Lage sind, diese schwer zu findende Dunkle Materie zu erzeugen.“ Gegenstand."

Die physikalische Theorie legt nahe, dass nur 5 % des Universums aus sichtbarer Materie bestehen – Atomen, die Dinge bilden, die wir sehen, berühren und fühlen können – und dass die restlichen 95 % aus der Kombination von Materie und Energie bestehen, die als dunkler Sektor bekannt ist. Axionen, sterile Neutrinos und andere können diese fehlende Energiedichte ganz oder teilweise erklären und erklären.

Die Existenz von Axionen könnte auch ein seit langem bestehendes Problem im Standardmodell lösen, das das bekannte Verhalten der subatomaren Welt beschreibt. Axionen, die manchmal als „Fossilien“ des Universums bezeichnet werden und mutmaßlich nur eine Sekunde nach dem Urknall entstanden sind, könnten uns auch viel über die Gründungsmomente des Universums verraten.

Das Coherent CAPTAIN-Mills-Experiment war eines von mehreren Projekten, die 2019 vom Energieministerium Mittel für die Forschung im dunklen Sektor erhielten, zusammen mit erheblichen Mitteln aus dem Programm für laborgesteuerte Forschung und Entwicklung in Los Alamos. Ein Prototyp eines Detektors mit der Bezeichnung CCM120 wurde während des Strahlzyklus des Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) 2019 gebaut und betrieben. Die Veröffentlichung „Physical Review D“ beschreibt die Ergebnisse des ersten Entwicklungslaufs des CCM120.

„Basierend auf dem ersten Forschungslauf von CAPTAIN-Mills hat das Experiment die Fähigkeit gezeigt, die Suche nach Axionen durchzuführen“, sagte Bill Louis, ebenfalls Physiker am Projekt in Los Alamos. „Wir erkennen, dass das Energieregime, das durch den Protonenstrahl bei LANSCE bereitgestellt wird, und das Design des Flüssigargon-Detektors ein unerforschtes Paradigma für die Forschung an axionähnlichen Teilchen bieten.“

Arbeiter senken im Juli 2021 den inneren Detektor CCM200 in den Kryostaten. Im Inneren des 10 Tonnen schweren Gefäßes mit flüssigem Argon fangen die Photomultiplier Licht ein, das auf das mögliche Vorhandensein dunkler Materie und Neutrinos im CCM-Detektor hinweist, die von LANSCE 800 Megaelektronenvolt erzeugt werden Protonen treffen auf das Wolframtarget im Lujan Center. Foto mit freundlicher Genehmigung von LANL

Das im Lujan Center neben LANSCE stationierte Coherent CAPTAIN-Mills-Experiment ist ein 10 Tonnen schwerer, unterkühlter Flüssigargondetektor. (CAPTAIN steht für Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Reactions with Neutrinos.)

Hochintensive Protonen mit 800 Megaelektronenvolt, die vom LANSCE-Beschleuniger erzeugt werden, treffen im Lujan Center auf ein Wolframziel und wandern dann 23 Meter durch ausgedehnte Stahl- und Betonabschirmungen zum Detektor, um im flüssigen Argon zu interagieren.

Die Innenwände des Prototyp-Detektors sind mit 120 empfindlichen 20-Zoll-Photovervielfacherröhren (daher der Spitzname CCM120) ausgekleidet, die Lichtblitze – einzelne Photonen – erkennen, die entstehen, wenn ein reguläres oder dunkles Sektorteilchen ein Atom im Tank mit flüssigem Argon anstößt. Eine spezielle Materialbeschichtung an den Innenwänden wandelt die Argon-Lichtemission in sichtbares Licht um, das von den Photovervielfacherröhren erfasst werden kann. Die schnelle Abstimmung von Detektor und Strahl trägt dazu bei, die Auswirkungen von Hintergrundpartikeln wie Strahlneutronen, kosmischer Strahlung und Gammastrahlen aus radioaktiven Zerfällen zu beseitigen.

Axionen sind von großem Interesse, weil sie „hochmotiviert“ sind; das heißt, ihre Existenz wird in Theorien jenseits des Standardmodells stark impliziert. Das über mehr als 70 Jahre entwickelte Standardmodell erklärt drei der vier bekannten Grundkräfte – Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft –, die das Verhalten von Atomen, den Bausteinen der Materie, bestimmen. (Die vierte Kraft, die Schwerkraft, wird durch die Einsteinsche Relativitätstheorie erklärt.) Das Modell ist jedoch nicht unbedingt vollständig.

Ein ungelöstes Problem in der Standardmodellphysik ist als „starkes CP-Problem“ bekannt, wobei „CP“ Ladungsparitätssymmetrie bedeutet. Im Wesentlichen unterliegen Teilchen und ihre Antiteilchen-Gegenstücke den gleichen physikalischen Gesetzen. In der Physik des Standardmodells ist dieses Verhalten jedoch nicht vorgeschrieben, sodass Physiker zumindest gelegentliche Verletzungen dieser Symmetrie feststellen sollten.

Bei Wechselwirkungen mit schwachen Kräften treten Verletzungen der Ladungsparitätssymmetrie auf. Bei Wechselwirkungen mit starken Kräften wurden jedoch keine ähnlichen Verstöße beobachtet. Dieses rätselhafte Fehlen theoretisch möglichen Verhaltens stellt ein Problem für die Standardmodelltheorie dar. Was verhindert, dass es bei Wechselwirkungen mit starken Kräften zu Verletzungen der Ladungsparitätssymmetrie kommt?

Die reichlich vorhandenen, nahezu schwerelosen und elektrisch neutralen Axionen könnten ein wichtiger Teil des Rätsels sein. Das Axion erhielt 1978 seinen Spitznamen, den der Physiker Frank Wilczek nach einer Waschmittelmarke benannte, weil ein solches Teilchen das starke CP-Problem „beseitigen“ konnte. Physiker spekulieren, dass sie Bestandteile einer Kraft der Dunklen Materie sind, die die Ladungsparitätssymmetrie bewahrt, und dass sie Photonen und Elektronen koppeln oder mit ihnen interagieren können.

Wenn Axionen existieren, könnte es eine Frage der Entwicklung des richtigen Versuchsaufbaus sein, sie zu finden.

„Als Ergebnis dieses ersten Laufs mit unserem CCM120-Detektor haben wir ein viel besseres Verständnis der Signaturen, die mit axionähnlichen Teilchen verbunden sind, die an Photonen und Elektronen gekoppelt sind, während sie sich durch flüssiges Argon bewegen“, sagte Louis. „Diese Daten geben uns die Möglichkeit, den Detektor um eine Größenordnung empfindlicher zu machen.“

In den Jahren 2020–2021 wurde mit weiterer DOE- und Laborfinanzierung der neue und verbesserte CCM200-Detektor gebaut, der über 200 nach innen gerichtete Photomultiplier, Tetraphenylbutadien-Oberflächenfolien, Doppelveto-Photomultiplier und Flüssig-Argon-Filtration verfügt. Aufbauend auf den Ergebnissen des CCM120-Prototyps hat der neue Detektor einen dreijährigen physikalischen Lauf begonnen, der weitere bedeutende Ergebnisse bei der Suche nach dunkler Materie und Axionen sowie beim Testen der kurzen Basislinienanomalien liefern soll, die vom vorherigen von Los Alamos geleiteten Flüssigszintillator-Neutrino-Detektor entdeckt wurden Fermilab-basierte MiniBooNE-Experimente.

Papier: „Aussichten für den Nachweis axionartiger Teilchen beim Coherent CAPTAIN-Mills-Experiment.“ Physical Review D. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.095036

Finanzierung:Diese Arbeit wurde vom Department of Energy Office of Science, der National Science Foundation, dem Laboratory Directed Research and Development Program des Los Alamos National Laboratory, dem National Laboratories Office der Texas A&M University und der National Autonomous University of Mexico unterstützt.

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