Федеральное агентство научных организаций
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт ядерных исследований Российской академии наук
УДК № госрегистрации Инв. № | «УТВЕРЖДАЮ» Директор Департамента науки и технологий ___________ С. В. Салихов «____» ___________ 2014 г. |
ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
Экспериментальные работы и исследования
по теме:
Изучение фундаментальных свойств материи на установке КАСТ в ЦЕРНе: поиск солнечных аксионов и фотонов из скрытого сектора
(промежуточный)
Научный руководитель
д. ф.-м. н., академик _______________ В. А. Матвеев
подпись, дата
Москва 2014
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Научный руководитель, | подпись, дата | В. А. Матвеев |
Исполнители темы | ||
Зав. лаб., к. ф.-м. н. | подпись, дата | А. С. Белов |
с. н.с., к. ф.-м. н. | подпись, дата | С. Н. Гниненко |
н. с. | подпись, дата | А. В. Дерменев |
Нормоконтролер | подпись, дата | |
РЕФЕРАТ
Отчет 31 с., 1 ч., 9 рис., 0 табл., 0 источников, 1 прил.
АКСИОН, ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ, СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТ, СКРЫТЫЙ СЕКТОР, ФОТОН
В 2014 г. эксперимент КАСТ (CAST – CERN Axion Solar Telescope, Церновский телескоп для поиска солнечных аксионов) продолжил работу по поиску легкого солнечного аксиона в международном центре ЦЕРН (CERN - l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, Европейский центр ядерных исследований). Анализируются данные, полученные в сеансах на установке в течение 2013-2014 гг. Проводятся сеансы измерений со сканированием давления гелия 3He, наполняющего трубопровод сверхпроводящего магнита БАК.
Метод исследования основывается на регистрации в диапазоне энергий 1...10 кэВ гамма-квантов, возникающих от конверсии в магнитном поле сверхпроводящего магнита установки КАСТ аксионов, испускаемых Солнцем. Мотивация для данных исследований следующая.
Установлено, что большая часть вещества нашей Вселенной находится в неизвестном виде – это так называемая «темная материя». Одним из основных кандидатов на этот вид вещества является аксион. Аксион был введен в теорию элементарных частиц для объяснения отсутствия у нейтрона большого электрического дипольного момента. Таким образом, обнаружение аксиона позволило бы решить сразу две важнейшие проблемы фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц. Отметим, что поисками аксиона занимаются коллективы исследователей в США (установка в Беркли), Японии (установка в Токийском университете) и других странах.
Установка КАСТ состоит из большого сверхпроводящего дипольного магнита (длина 9,26 м), создающего мощное магнитное поле, и ряда детекторов, расположенных по обоим торцам магнита. Метод, используемый в установке КАСТ, позволяет достичь уникальной чувствительности при определении потока аксионов.
Установка КАСТ собиралась в ЦЕРНе в течение 2002-2003 гг. коллективом, состоявшим из более чем 50 ученых и инженеров ЦЕРНа и научных институтов России, Германии, США, Греции, Канады, Хорватии, Франции, Италии, Испании, Турции и Швейцарии.
Целью первого этапа работ на данной установке являлось:
- создание детекторов для регистрации гамма-квантов в кэвной области энергий с низким порогом регистрации и высоким разрешением;
- запуск большого криогенного сверхпроводящего магнита;
-создание системы блокировки установки, позволяющей обеспечить надежную работу вакуумной и криогенной систем установки;
- проведение сеансов набора статистического материала;
- обработка и анализ экспериментальных данных и получение первых физических результатов.
На втором этапе проведения работ на установке КАСТ проводятся измерения с наполнением зоны конверсии внутри сверхпроводящего магнита вначале гелием 4He, а с 2010 г. – гелием 3He. Для этого была разработана и изготовлена система для прецизионного наполнения криогенного объема магнита газообразными изотопами гелия. Затем были проведены тестовые измерения и установлена возможность эффективной регистрации гамма-квантов. Измерения с наполнением зоны конверсии в трубопроводе сверхпроводящего магнита газообразным гелием 4He были проведены в 2005-2007 гг. до давления 13,4 мбар при температуре 1,8 К.
В 2007-2010 гг. была разработана и изготовлена система наполнения зоны конверсии в трубопроводе магнита газообразным гелием 3He. С 2009 г. проводятся сеансы измерений до давления гелия 3He 64 мбар при температуре 1,8 К. Измерения продолжены в течение 2010-2013 гг. до давления гелия 3He порядка 100 мбар, соответствующего массе аксиона около одного электронвольта.
На третьем этапе работ в 2014 г. на установке КАСТ проводилось сканирование по давлению изотопа гелия 4Не, а также начались тестовые эксперименты по поиску фотонов скрытого сектора, предложенные физиками ИЯИ РАН. Этот этап включает в себя:
- проектирование вакуумной системы установки, тестирование системы детектирования одиночных фотонов и оптической системы их фокусирования, системы сбора данных и электроники;
- создание прототипа установки;
- проведение тестовых измерений и установление возможности эффективной регистрации одиночных гамма-квантов при минимально возможном уровне шума;
- создание полномасштабной установки, набор данных, обеспечение ее нормального функционирования в течение сеансов, планируемых в 2014-2015 гг.;
- обработку и анализ данных и получение физического результата.
В результате работ, проведенных на первом этапе, получено следующее:
- выполнено конструирование и изготовление системы контроля параметров и блокировки узлов установки КАСТ, что позволило провести безаварийный набор данных в течение 2004-2014 гг.;
- проведен анализ экспериментальных данных, полученных в результате экспозиции 2004-2014 гг.;
- по результатам анализа экспериментальных данных поставлен предел на константу связи аксиона с двумя фотонами gaγ < 8,8 ´ 10-11 ГэВ-1 для области масс аксиона ma < 0,02 эВ (для измерений в вакууме);
- полученный предел примерно в два раза лучше, чем предел, полученный в 2003 г., и впервые сопоставим с ограничениями, получаемыми из астрофизики из рассмотрения потерь энергии звездами за счет излучения аксионов;
- полученные результаты более чем на порядок улучшают результаты предыдущих экспериментов по поиску аксионов;
- проведены оценки интенсивности потоков аксионов, возникающих от конверсии гамма-квантов высокой энергии в протяженных межгалактических магнитных полях, а также предложен первый эксперимент по возможной регистрации этих потоков;
– подготовлено и опубликовано в печати предложение нового поколения эксперимента КАСТ (SuperCAST).
В результате работ, проведенных на втором этапе, получено следующее:
- проведен анализ первых экспериментальных данных, полученных в результате экспозиции при сканировании по давлению в 2014 г.;
- по результатам сканирования буферного газа 3Не по давлению и анализа экспериментальных данных поставлен новый предел на константу связи аксиона с фотоном, равный 2,3 ´ 10-10 ГэВ-1 для области масс аксиона ma < 1,15 эВ;
- выполнено конструирование и изготовление системы контроля параметров и блокировки узлов установки КАСТ в режиме наполнения вакуумного объема магнита газом 4Не для обеспечения сканирования по давлению газа при безаварийном наборе данных в течение 2010-2013 гг.;
- полученный предел лучше, чем пределы, полученные прежде, и сопоставим с ограничениями, получаемыми из астрофизики из рассмотрения потерь энергии звездами за счет излучения аксионов;
- проводятся сеансы по набору данных с наполнением зоны конверсии в трубопроводе сверхпроводящего магнита газообразным гелием 3He до давления более 100 мбар при температуре 1,8 К.
Результаты исследований доложены на конференциях и опубликованы в ряде ведущих физических журналов.
В 2014 г. сотрудниками ИЯИ РАН в рамках экспериментов КАСТ и ИКАРУС предложен новый тип поиска легкой темной материи в диапазоне масс 1...100 МэВ на ускорителе SPS в ЦЕРНе. Предложение о проведении эксперимента подано в комитет SPSC ЦЕРНа.
В данном отчете представлены результаты работы сотрудников ИЯИ РАН в коллаборации КАСТ в течение 2014 г. Объем финансирования деятельности группы в ЦЕРНе составил в 2014 г. 7 тыс. долларов США и 7 тыс. из резерва. Запрашиваемое на 2015 г. финансирование составляет 15 тыс. долларов США. Увеличение финансирования связано с началом подготовительных работ по новому эксперименту по поиску легкой темной материи.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... 8
ОБЩИЙ СТАТУС ЭКСПЕРИМЕНТА КАСТ В 2001-2014 гг..................................................................................................................................... 13
СТАТУС ЭКСПЕРИМЕНТА КАСТ В 2014-2015 ГГ................. 15
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ДОСТИЖЕНИЯ ПО ЭКСПЕРИМЕНТУ КАСТ.................................................................................. 16
Система автоматического контроля и блокировки узлов.................... 16
Изменения в установке КАСТ на втором этапе эксперимента............ 17
Результаты третьего этапа эксперимента в 2014 г.................................... 21
Дальнейший поиск аксионов с повышенной чувствительностью установки.................................................................................................................................................... 23
Предложение эксперимента по поиску темной материи....................... 24
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ УЧАСТИЯ РОССИИ В ПРОЕКТЕ В 2014-2015 гг....................................................................................................... 26
Цели визитов российских специалистов в ЦЕРН в 2014 г....................... 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................ 27
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ.................................................................... 28
ПРИЛОЖЕНИЕ. КОПИИ ТИТУЛЬНЫХ ЛИСТОВ ПУБЛИКАЦИЙ................................................................................................... 29
ВВЕДЕНИЕ
Данный отчет является промежуточным отчетом о проведении третьего этапа работ по НИР «Изучение фундаментальных свойств материи на установке КАСТ в ЦЕРНе: поиск солнечных аксионов» и содержит описание первых результатов третьего этапа выполнения эксперимента. Результаты первого и второго этапов проведения эксперимента содержатся в отчетах, направленных в рабочую группу Россия-ЦЕРН в течение 2005-2013 гг.
В настоящее время установка КАСТ является крупнейшим в мире «телескопом», предназначенным для обнаружения новой элементарной частицы – аксиона, которая в случае ее существования в природе может излучаться Солнцем.
Первоначально аксион был введен в теорию элементарных частиц для объяснения отсутствия у нейтрона большого электрического дипольного момента, который естественно возникал в рамках квантовой хромодинамики. Экспериментальные исследования по поиску дипольного момента нейтрона, проведенные, в частности, в Институте ядерной физики им. Б. П.Константинова (Санкт-Петербург) и в Институте ядерных исследований РАН (Москва) под руководством академика В. М.Лобашева, позволили ограничить дипольный момент нейтрона величиной 10-25 е×см. Это крайне высокое ограничение неизбежно потребовало введения в теорию новой частицы – аксиона. Аксион является гипотетической частицей, аналогичной нейтральному пиону, которая связана с фотонами константой связи gaγ. В случае легкого аксиона эта связь позволяет осуществить как процесс рождения аксиона в результате конверсии фотона в магнитном поле в аксион, так и процесс обратной конверсии (регенерации фотона) в результате взаимодействия аксиона с магнитным полем.
Впервые поиск такого процесса рождения и регенерации аксионов был предложен С. Н.Гниненко совместно с К. Зиутосом (K. Zioutos) (Греция) в рамках эксперимента НОМАД (NOMAD - Neutrino Oscillation MAgnetic Detector). Схематически этот процесс показан на рисунке 1. Если такой процесс существует, он может происходить и в недрах Солнца. Аксионы могут рождаться в результате процесса за счет т. н. эффекта Примакова. Таким образом, Солнце может являться возможным источником аксионов с энергией 1...10 кэВ. Поток таких аксионов в сильном магнитном поле эффективно конвертирует в кэвные фотоны, которые могут быть зарегистрированы – в этом состоит основная идея эксперимента КАСТ.
Рисунок 1 – Процесс рождения аксиона и его регистрация в эксперименте НОМАД.
Установка КАСТ, общий вид которой показан на рисунке 2, была запущена в эксплуатацию в 2003 г. с набором данных с 2003 г. Основной целью эксперимента на первом этапе было получение ограничений на константу связи аксиона, сравнимых с ограничениями, получаемыми в космологии и астрофизике и являющимися на сегодняшний день наиболее сильными.
Установка КАСТ является уникальной прежде всего потому, что в ней используется наибольший в мире сверхпроводящий дипольный магнит. Длина магнита составляет 9,26 м, величина магнитного поля 9 Тл. Магнит был одним из первых прототипов сверхпроводящего магнита, построенного в рамках проекта «Большой адронный коллайдер» в ЦЕРНе. Экспериментальная база установки КАСТ создавалась интернациональной коллаборацией из сотрудников 14 лабораторий научных институтов России, Германии, США и ряда других стран. В настоящее время Россию в коллаборации КАСТ представляет ИЯИ РАН.
Рисунок 2 – Общий вид установки КАСТ (вверху) и схематичная иллюстрация метода поиска конверсии солнечных аксионов.
Для точного восстановления энергетического спектра потока солнечных аксионов было необходимо создать прецизионные детекторы гамма-квантов с низким порогом регистрации в области энергий 1...10 кэВ. Для решения этой задачи была сконструирована при участии сотрудников ИЯИ РАН время-проекционная камера, позволяющая решить данную задачу – так, например, гамма-кванты с энергией 5 кэВ регистрируются с энергетическим разрешением не хуже 15%.
Одним из основных источников фона в данном эксперименте является фон от естественной радиоактивности окружающего вещества. Существенно уменьшить уровень этого фона можно с помощью искусственной защиты, выполненной из чистого свинца. Образцы такого изотопа свинца, изготовленные в России, были отобраны и исследованы в ЦЕРНе.
Важной задачей для поддержания работоспособности установки в течение длительного периода времени является необходимость создания высокоэффективной системы контроля основных параметров эксперимента и возможности блокировки работы детектора при возникновении аварийной ситуации. Проблема осложняется тем, что в установке используется как высококачественный вакуум уровня 10-8...10-7 торр, так и низкотемпературный режим для поддержания сверхпроводящего состояния магнита. Решение этой сложной и ответственной задачи осуществили сотрудники ИЯИ РАН. Система блокировки, созданная для мониторирования работы установки КАСТ, проработала в течение 2004-2014 гг. и обеспечила за это время поддержание вакуумной и криогенной систем в безаварийном состоянии.
Целью данного проекта являлось следующее:
- создание детекторов для регистрации гамма-квантов в кэвной области энергий с низким порогом регистрации и высоким разрешением;
- запуск большого криогенного сверхпроводящего магнита;
-создание системы блокировки установки, позволяющей обеспечить надежную работу вакуумной и криогенной систем установки;
- определение пространственных и временных характеристик уровня фона, образованного космическими лучами, а также естественной радиоактивностью;
- определение эффективности регистрации гамма-квантов в зависимости от их энергии;
- проведение сеансов набора статистического материала;
- обработка и анализ экспериментальных данных и получение физических результатов.
Решение этих задач позволило:
- провести прецизионную калибровку и настройку основных детектирующих систем установки, используя пик 5 кэВ изотопа 55Fe;
- обеспечить безаварийную работу установки КАСТ в течение набора экспериментальных данных в 2004-2014 гг.;
- улучшить соотношение сигнал/фон за счет подавления уровня фона от естественной радиоактивности более чем на порядок;
- провести анализ полученной информации и получить первые экспериментальные данные.
ОБЩИЙ СТАТУС ЭКСПЕРИМЕНТА КАСТ В 2001-2014 гг.
На установке КАСТ, которая является астрофизическим экспериментом по чисто фундаментальным исследованиям, имеющим своей целью поиск солнечных аксионов с использованием выведенного из эксплуатации сверхпроводящего магнита БАК завершен очередной этап исследований, первый из которых начался в 2001 г. Начиная с 2008 г., после трех лет успешной работы с заполнением канала магнита газообразным Не-3 в научный комитет ЦЕРН SPSC было подано предложение продлить набор статистики на Не-3 которое было рассмотрено и одобрено в 2011 г. как этап завершения программы КАСТ по Не-3. Это предложение описано в документах CERN-SPSC-2010-026 и SPSC-SR-067. Список сотрудничающих институтов в 2011 году остался тем же, что и в период набора статистики в 2008-2010 гг. Позднеее сотрудничество КАСТ предложило ЦЕРН программу исследований по новой физике на период осуществления в 2012-2014 гг. В 2012 г. измерения были проведены с заполнением канала сверхпроводящего магнита газообразным Не-4, чтобы получить улучшенную чувствительность в более узком итервале масс аксиона. Это предложение о расширении программы КАСТ, описанное в документах CAST-SPSC-2011-018; SPSC-SR-085, обозначается как фаза III. Сотрудничество КАСТ в 2012-2014 гг. включает три новых института, чьи взносы и обязанности относятся только к периоду набора статистического материала в 2012-2014 гг. В 2013-2015 гг. очередные важные измерения будут выполнены с вакуумом в канале магнита, с тем, чтобы получить улучшенную чувствительность для аксионов и аксионоподобных частиц с массой покоя менее чем 2×10-2 эВ и для поиска так называемых солнечных хамелеонов в диапазоне масс меньше электронвольта. Это расширение программы КАСТ описано в документах CAST-SPSC-2012-028; SPSC-SR-106 и соответствует этапу обозначаемому как фаза IV. КАСТ будет также исследовать возможности адаптации инфраструктуры для размещения дополнительных физических исследований, которые могут проводиться ориентировочно после 2015 года, когда цели исследований по фазе IV будут достигнуты. Этот последующий этап исследований будет включать в себя дополнительные ваккуумные измерения для аксионов, дальнейшие поиски хамелеонов низкой энергии и, возможно, поиски реликтового аксиона. Эти исследования и их мотивации обсуждаются в документах CERN-SPSC-2011-018; SPSC-SR-085, а также в CERN-SPSC-2012-028; SPSC-SR-106.
Фаза III был рекомендована для утверждения на SPS CERN и PS Комитета (SPSC) на своем заседании в октябре 2011 года. Научно-исследовательский Совет ЦЕРН сделал заявление о том, что его утверждение зависит от удовлетворительного понимания ресурсов и является необходимым условием, которое впоследствии было исполнено. Фаза IV была рекомендована для утверждения на SPSC и PS Комитетами (SPSC) на своем заседании в октябре 2014.
СТАТУС ЭКСПЕРИМЕНТА КАСТ В 2014-2015 ГГ.
Набор статистического материала в режиме сканирования по давлению буферного газа 3He проводился в 2014 г. и планируется продолжение набора статистики в 2014 г. в режиме сканирования по давлению изотопа 4Не, позволяющего обнаружить солнечные аксионы с массами вплоть до 2 эВ. Последние результаты, полученные с помощью гелия 3Не в качестве буферного газа, позволили расширить чувствительность к массам аксионов наших предыдущих измерений с 4Не. Измерения в каждой из 252 различных точек-настроек по давлению в режиме сканирования проводились приблизительно в течение часа набора данных и соответствовали сканированию масс аксионов в дапазоне 0,39...0,64 эВ. Отсутствие избыточных событий в режиме, когда магнит установки был направлен на Солнце, ведет к установлению типичного верхнего предела на аксион-фотонную константу связи gaγ < 2,3×10-10 ГэВ-1 на 95% доверительном уровне. Точное значение предела зависит от настроечного давления. Опубликованые коллаборацией КАСТ результаты представляют собой наилучший экспериментальный предел на константу связи аксион-фотон, который впервые находится в области значений, предсказываемых аксионными моделями квантовой хромодинамики.
Предварительные значения чувствительности к массам аксионов до 1,16 эВ соответствуют верхнему пределу на константу связи аксион-фотон gaγ < 3,5×10-10 ГэВ-1 на 95% доверительном уровне. Ожидаемая чувствительность, в связи с продлением срока действия программы КАСТ до 2015 г., составит величину примерно в три раза меньшую. Долгосрочные варианты третьего этапа эксперимента в 2014-2015 гг. включают также подготовку предложения эксперимента по поиску осцилляций солнечных фотонов в фотоны скрытого сектора с последующей их регенерацией в детекторе КАСТ.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ДОСТИЖЕНИЯ ПО ЭКСПЕРИМЕНТУ КАСТ
Система автоматического контроля и блокировки узлов
Создание высокоэффективной и надежной автоматической системы контроля и мониторирования параметров такой многофункциональной и дорогостоящей установки, какой является установка КАСТ, абсолютно необходимо для предотвращения аварий и поломок оборудования, влекущих за собой как потерю средств, необходимых для устранения поломки, так и потерю живого времени набора статистического материала.
Основной целью создания автоматической системы контроля и блокировки узлов установки КАСТ являются:
- проверка и контроль низкошумящей электроники, используемой для считывания информации с детекторов КАСТ, особенно узлов, связанных с работой вакуумной системы;
- контроль состояния сверхпроводящего магнита;
- контроль состояния вакуумной системы.
Действие автоматической системы контроля и мониторирования параметров установки основано на периодическом, примерно с частотой 10 Гц, считывании показаний:
- абсолютного положения магнита в пространстве;
- температурных датчиков магнита;
- датчиков вакуумной системы магнита;
- датчиков токов и напряжений детекторов установки;
- датчиков вакуумных системы отдельных детекторов.
Мониторирование установки осуществлялось путем периодического сравнения текущих показаний и контрольных значений параметров с возможностью вывода информации по любому детектору или узлу установки на дисплей, а также с записью информации на диск.
При наличии отклонений от предусмотренных спецификацией параметров система контроля либо оповещала систему блокировки о необходимости произвести аварийную остановку набора данных, либо самостоятельно, как это было предусмотрено в случаях нарушения вакуума, отключала высокое напряжение и закрывала соответствующие вакуумные затворы установки.
Разработка и внедрение такой системы контроля и блокировки позволило существенно повысить эффективность работы установки и избежать поломок дорогостоящего оборудования. Так, например, только в течение одного весеннего сеанса 2007 г. система произвела два автоматических отключения узлов, связанных с необходимостью устранения недостаточно высокого вакуума.
Разработка нового метода калибровки регистрирующий аппаратуры установки КАСТ в диапазоне рентгеновского излучения позволила также оценить неэффективность детектора, связанную с поглощением рентгеновских фотонов в разделительных пленках на границе вакуум – детектор.
Изменения в установке КАСТ на втором этапе эксперимента
Вероятность конверсии солнечного аксиона в фотон в постоянном магнитном поле в вакууме описывается соотношением:
(1)
где B – величина магнитного поля, L – длина области, занимаемой полем, gag - константа связи аксион-фотон. Необходимым условием эффективной конверсии аксиона в фотон является условие т. н. когерентности:
(2)
где Ea и ma – энергия и масса аксиона соответственно.
Так как поток аксионов имеет широкий спектр в диапазоне энергий 1...10 кэВ, необходимо провести свертку аксионного спектра с апертурой, эффективностью конверсии и эффективностью регистрации гамма-квантов в установке. За основу этого преобразования были взяты методы, предложенные сотрудниками ИЯИ РАН при анализе данных по поиску аксиона на установке НОМАД в ЦЕРНе.
На первом этапе эксперимента, когда набор данных осуществлялся при давлении остаточного газа в зоне конверсии в трубопроводе сверхпроводящего магнита не более 10-7 мбар, было получено ограничение на константу связи аксион-фотон gaγ < 8,8×10-11 ГэВ-1, применимое для масс аксионов ma < 0,02 эВ. Для того, чтобы расширить исследуемый диапазон массы аксиона, необходимо наполнить зону конверсии в трубопроводе сверхпроводящего магнита буферным газом, что приводит к возникновению эффективной массы у возникающего в процессе конверсии фотона. Разница импульса аксиона и фотона в этом случае равна q = (ma2 - mg2)/2E, так что для массы аксиона, близкой к эффективной массе фотона, вероятность конверсии увеличивается до величины, близкой к вероятности конверсии в вакууме для аксионов с ma < 0,02 эВ. Изменение плотности буферного газа позволяет сканировать величину исследуемой массы аксиона. В этом случае необходимо проводить набор и анализ данных отдельно для каждого значения плотности газа в зоне конверсии.
На втором этапе эксперимента КАСТ зона конверсии наполнялась вначале газообразным гелием 4He. Выбор газа определялся низкой температурой вакуумпровода внутри сверхпроводящего магнита (1,8 К) и необходимостью избежать конденсации газа при низких температурах и относительно высокой плотности. Эти факторы ограничили максимальное давление гелия 4He величиной 13,4 мбар, что соответствует эффективной массе фотона mγ » 0,4 эВ. Для поиска аксионов с большей массой вплоть до 1,2 эВ зона конверсии наполняется газообразным гелием 3He. Сеансы с гелием 3He проводятся с 2009 г. и планируются вплоть до 2015 г.
При работе с наполнением зоны конверсии гелием 4He плотность гелия в зоне конверсии изменялась ежедневно на величину, эквивалентную 0,08 мбар при 1,8 К. Для прецизионного контроля плотности газа использовалась процедура наполнения зоны конверсии из сосуда известного объема, температура которого поддерживалась системой стабилизации с точностью 0,1°C. Величина изменения давления определялась таким образом, чтобы обеспечить плавное перекрытие эффективных масс фотона во всем исследуемом диапазоне. Однородность распределения газа в зоне конверсии обеспечивалась эффективным взаимодействием со стенками вакуумного сосуда, которые охлаждаются сверхтекучим жидким гелием, заполняющим объем магнита.
В первоначальных испытаниях в системе наблюдались термоакустические колебания, которые могли нарушать однородность распределения газа в зоне конверсии. Для подавления этих колебаний в систему были введены специальные демпфирующие элементы.
Рисунок 3 –Предел на константу связи для диапазона сканирования по массе аксиона 0,64...1,17 эВ.
Для ограничения объема газообразного гелия в зоне конверсии в системе пришлось установить тонкие окна, разделяющие зону, наполненную гелием от при температуре 1,8 К от “теплой” вакуумированной зоны с детекторами. Окна должны иметь высокую прозрачность для фотонов с энергией 2…8 кэВ. Кроме того окна должны выдерживать давление газа, возникающее при случайных переходах магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, когда температура и давление газа может возрастать на два порядка до величины, превышающей атмосферное давление. Окна также должны иметь низкую проницаемость для гелия и должны быть оптически прозрачными, чтобы позволить осуществлять лазерную юстировку системы. Чтобы обеспечить выполнение всех этих требований, окна были изготовлены из пленки полипропилена толщиной 15 мкм, размещенной на специальной поддерживающей металлической сетке, которая обеспечила необходимую механическую прочность окна. Были выполнены измерения по определению прозрачности окон, которые подтвердили правильность расчетов и показали высокую прозрачность - около 80% в диапазоне энергий фотонов 3…8 кэВ.
Сканирование давления гелия 4He осуществлялось с шагом 0,08 мбар до давления 13,4 мбар при температуре 1,8 К, что позволило перекрыть диапазон масс аксиона 0,02…0,39 эВ. В 2014 г. проводились сеансы со сканированием плотности газообразного гелия 3He до давления примерно 104 мбар при температуре 1,8 К, с числом промежуточных шагов около 250. На рисунке 3 показаны результаты сканирования в эксперименте КАСТ в 2014 г. при наполнении зоны конверсии в магните газообразным 3He, а на рисунке 4 показан полный диапазон сканирования по массе аксиона в течение 2008-2014 гг.
Рисунок 4 – Полный диапазон сканирования по массе аксиона.
Результаты третьего этапа эксперимента в 2014 г.
В 2014 г. на установке КАСТ были завершены поиски солнечных аксионов в буферном газе 3Не, охватывающем диапазон масс аксиона 0,64...1,17 эВ. Это закрывает пробел в пределах на космологические модели горячей темной материи и фактически перекрывает существующие пределы. Из-за отсутствия превышения рентгеновских лучей, когда магнит показывал на Солнце, устанавлена характерная величина для верхнего предела на константу связи аксион-фотон gaγ < 3,3×10-10 ГэВ-1 на 95% доверительном уровне, с точным значением в зависимости от настройки давления. В дальнейшем поиски прямых солнечных аксионов будут направлены на увеличение чувствительности в сторону меньших значений константы связи – в настоящее время обсуждается проект телескопа следующего поколения Helioscope IAXO.
Рисунок 5 - Результаты при наполнении зоны конверсии в магните газообразным 3Не.
В 2014 г. проводились сеансы со сканированием плотности газообразного гелия 3He до давления примерно 104 мбар при температуре 1,8 К, с числом промежуточных шагов 262. Результаты эксперимента КАСТ, полученные при сканировании давления гелия 3Не, приведены на рисунке 5. Для константы связи аксион-фотон получено ограничение gaγ < 3,3×10-10 ГэВ-1 в диапазоне масс аксиона 0,64...1,17 эВ. Эти результаты впервые сопоставимы с астрофизическими ограничениями и намного превосходят ограничения, полученные в других экспериментах. На рисунке 6 показаны новые полученные результаты при наполнении зоны конверсии гелия 3Не. Для константы связи аксион-фотон получено ограничение gaγ < (2,17…2,3)×10-10 ГэВ-1 в диапазоне масс аксиона 0,02...1,15 эВ. Сканирование по давлению гелия 3Не до величины порядка 100 мбар планируется завершить в 2014 г. Ожидается, что эти результаты могут быть значительно улучшены благодаря использованию модернизации части установки с установлением новой CCD-камеры, показанной на рисунке 7.
Рисунок 6 - Сравнение результатов эксперимента КАСТ с результатами других поисков аксиона и астрофизическими ограничениями.
Дальнейший поиск аксионов с повышенной чувствительностью установки
Возможность дальнейшего улучшения чувствительности поиска аксионов на установке КАСТ была недавно доложена на очередном заседании комитета SPSC и положительно отмечена членами комитета. Такие потоки аксионов могли бы возникать в результате конверсии гамма-квантов высокой энергии в протяженных межгалактических магнитных полях. В работах, опубликованных участниками коллаборации КАСТ, предложен улучшенный вариант детектора рентгеновских лучей и улучшены фоновые условия эксперимента по возможной регистрации этих потоков.
Рисунок 7 – Модернизированная часть установки с новой CCD-камерой.
В настоящее время проводится работа по выбору оптимального варианта детектора для эффективной регистрации гамма-квантов. Реализация такого детектора возможна, например, с использованием сверхпроводящего соленоида большого диаметра. На рисунке 8 показана проектная улучшенная чувствительность модернизированной установки КАСТ.
Рисунок 8 - Планируемая чувствительность модернизированного эксперимента КАСТ по поиску аксиона в вакууме.
Предложение эксперимента по поиску темной материи
В 2014 г. сотрудниками ИЯИ РАН в рамках программ экспериментов КАСТ и ИКАРУС был предложен новый эксперимент по поиску легкой темной материи в диапазоне масс 1...100 МэВ на ускорителе SPS в ЦЕРНе. Предварительная схема предложенного эксперимента показана на рисунке 9.
Предлагаемый эксперимент прошел апробацию в коллаборации КАСТ. В конце 2014 г. предложение о расширении поиска темной материи и о проведении соответствующего эксперимента направлено в комитет SPSC ЦЕРНа. В случае одобрения проекта комитетом SPSC, подготовку эксперимента планируется начать в 2014 г., начало тестовых измерений - во второй половине 2015 г., а сами измерения планируется провести в течение 2016-2018 гг. на пучках H2-H4 ускорителя SPS. Кроме членов коллаборации КАСТ - России, Греции и Германии - участвовать в эксперименте выразили желание лаборатории Франции, Швейцарии, США и Кореи. Сотрудник ИЯИ РАН С. Н.Гниненко является в настоящее время контактным лицом предлагаемого эксперимента.
Рисунок 9 - Схема детектора для поиска легкой темной материи на ускорителе SPS с использованием электронного пучка с энергией в диапазоне 10...300 ГэВ.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ УЧАСТИЯ РОССИИ В ПРОЕКТЕ В 2014-2015 гг.
Цели визитов российских специалистов в ЦЕРН в 2014 г.
Май - сентябрь 2014 г. - участие в сеансах на установке и проведение анализа данных эксперимента по поиску солнечных аксионов.
Октябрь - декабрь 2014 г. - участие в разработке проекта по модернизации поиска аксионов.
Основные задачи для визитов российских специалистов в 2014 г.:
- участие в работе эксперимента КАСТ и контроле над набором данных при сканировании давления 3Не в зоне конверсии аксиона в фотон с целью улучшения ограничения на константу связи;
- разработка модернизированного эксперимента по поиску легкой темной материи.
Планы на 2015 г. В 2015 г. планируется продолжение работ по указанным группам задач и начало создания установки для поиска легкой темной материи в случае реализации предложения сотрудников ИЯИ РАН по поиску темной материи в рамках эксперимента КАСТ в 2014-2016 гг. , поданного в комитет SPSC ЦЕРНа.
Финансовый отчет по визитам российских специалистов в ЦЕРН в 2014 г. по эксперименту КАСТ. Бюджет в 2014 г. составил 7 тыс. долларов США и дополнительно 7 тыс. из резерва. Число специалистов ИЯИ, работавших в ЦЕРНе по этому проекту – 3.
Запрашиваемое финансирование на визиты российских специалистов в ЦЕРН по эксперименту КАСТ на 2015 г. С учетом большого вклада в разработку и дальнейшее развитие проекта, а также в виду возросших обязательств, в основном связанных с началом работ по созданию новой установки в ЦЕРНе и проведении методических измерений в 2015 г. по эксперименту КАСТ, на визиты в ЦЕРН запрашивается финансирование в размере 15 тыс. долларов США.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работы, предусмотренные очередным этапом эксперимента КАСТ, выполнены. В результате анализа данных, набранных в течение 2014 г., удалось получить результаты, существенно превосходящие полученные в других экспериментах. Эти результаты расширили диапазон масс аксиона до 1,2 эВ. В результате набора данных с наполнением зоны конверсии аксиона в фотон в магните гелием 3He, который проводился в 2010-2014 гг. и будет продолжен в 2015 г., получены ограничения на константы связи аксионов с фотонами, являющиеся лучшими в мире на сегодняшний день. Несомненно, что обнаружение сигнала от солнечных аксионов явилось бы важным открытием в области исследования фундаментальных свойств материи.
В работах, опубликованных участниками из ИЯИ РАН, проведены оценки интенсивности потоков аксионов, возникающих от конверсии гамма-квантов высокой энергии в протяженных межгалактических магнитных полях, а также предложен первый эксперимент по возможной регистрации этих потоков. В этих работах также разработана и предложена концепция эксперимента по обнаружению сигнала от фотонов скрытого сектора на модифицированной установке эксперимента КАСТ с уровнем планируемой чувствительности, превосходящим достигнутый на сегодняшний день в лазерных экспериментах по регенерации фотонов.
В работах сотрудников ИЯИ РАН – членов коллаборации КАСТ также разработана и предложена концепция эксперимента по поиску легкой темной материи на новой установке на ускорителе SPS с уровнем планируемой чувствительности, который превосходит уровень, достигнутый на сегодняшний день в экспериментах, проводимых и планируемых в Германии, США и Японии. Проект эксперимента подан на рассмотрение в комитет SPSC ЦЕРНа. В случае его одобрения начало пуско-монтажных работ по новому эксперименту планируется на вторую половину 2014 г., а начало измерений - на 2015 г.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
Armengaud E. et al (CAST Collaboration). Conceptual Design of the International Axion Observatory (IAXO) // JINST. 2014. V. 9. P. T05002.
Arik M. et al (CAST Collaboration). CAST solar axion search with He-3 buffer gas: closing the hot dark matter gap // e-Print: arXiv:1307.1985 [hep-ex]. Phys. Rev. Lett. 2014. P. 091302.
Gninenko S. N. Search for MeV dark photons in a light-shining-through-walls experiment at CERN // e-Print: arXiv:1308.6521 [hep-ph]. Phys. Rev. D. 2014. V. 89. P. 075008.
ПРИЛОЖЕНИЕ. КОПИИ ТИТУЛЬНЫХ ЛИСТОВ ПУБЛИКАЦИЙ
Основные порталы (построено редакторами)