BRASS
BRASS: Broadband Radiometric Axion SeracheS
Bemühungen zum Nachweis des schwer fassbaren DM Teilchens verlagern ihren Fokus zunehmend auf leichte, schwach wechselwirkende Teilchen im Sub-eV-Bereich (WISPs), darunter Axions und versteckte Photonen mit Massen deutlich unterhalb eines Elektronenvolts [1]. Neue Studien heben insbesondere den Massenbereich von 10–104 meV (2,4 GHz–2,4 THz) hervor, in dem Axions sowohl die beobachtete Dunkle Materie erklären als auch die strengen Randbedingungen aus Kosmologie, fundamentaler Physik und astrophysikalischen Beobachtungen erfüllen können [2,3].
- BRASS zielt darauf ab, ein einheitliches experimentelles Framework zu entwickeln, mit dem nach axionischer Dunkler Materie über den gesamten Axionmassenbereich von 10–104 meV gesucht werden kann.
- BRASS nutzt neuartige experimentelle Ansätze sowie Synergien zwischen teilchenphysikalischen Experimenten und hochmodernen breitbandigen Detektionstechniken aus der Radioastronomie. Dabei arbeiten die Universität Hamburg, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, die Technische Universität Hamburg und DESY an unterschiedlichen Aspekten des Forschungsprogramms.
- In der ersten Phase konzentriert sich BRASS auf drei ausgewählte Massenbereiche, die als besonders aussichtsreiche 'Sweet Spots' für axionische Dunkle Materie gelten. In nachfolgenden Messkampagnen soll schließlich der gesamte relevante Massenbereich abgedeckt werden.
Experimentelle Grundlagen:
BRASS nutzt den Primakoff-Prozess, bei dem Axions in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Photonen umgewandelt werden können. Dieser Ansatz wurde bislang vor allem in schmalbandigen, resonanten Experimenten wie ADMX [4, 5] realisiert. Im Gegensatz dazu basiert BRASS auf einem neuartigen breitbandigen Konzept, bei dem die Stärke des entstehenden Photonsignals proportional Oberfläche ist, über die die Konversion stattfindet, sowie zum Quadrat der zur Oberfläche parallelen Magnetfeldkomponente B|| [6]. Um eine ausreichende Detektionsempfindlichkeit zu erreichen, muss dabei das Produkt
B||2 A ≥ 100 T2·m2
erricht werden.
Abbildung 1: Brass Experiment Labor
Konzeptioneller Entwurf:
Um die erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen, wird BRASS mehrere Detektorkammern einsetzen, die jeweils eine permanent magnetisierte Oberfläche und einen Sekundärreflektor kombinieren, der das Signal auf rauscharme Detektoren bündelt, die sich in einem gekühlten Detektorrum befinden. Die Signale der einzelnen Detektoren werden digitalisiert und in einem Korrelator zusammengefasst, wodurch die Empfindlichkeit gewährleistet wird, die sich aus der Summe der Flächen der magnetisierten Oberflächen der einzelnen Detektorkammern ergibt.
Empfindlichkeit von BRASS:
Neben dem B2A-Leistungsmaß hängt die Empfindlichkeit der BRASS-Messungen von den Nachweisgrenzen der Empfänger ab und nur in geringem Maße von der Messdauer (μt1/4). BRASS wird modernste heterodyne Detektoren einsetzen, die eine Rauschtemperatur Tnoise ≫ 4 K und einen Wirkungsgrad von ∼ 2 hn/kB bei Frequenzen bis zu 1 THz erreichen. Die daraus resultierende erwartete Empfindlichkeit von BRASS wird im Folgenden mit anderen abgeschlossenen und geplanten Experimenten verglichen.
Komponenten von BRASS:
Die magnetisierte Oberfläche besteht aus kleinen Permanentmagneten, die in spezifischen Halbach-Konfigurationen [7] angeordnet sind und Magnetfelder in der Größenordnung von ∼ 1 T erzeugen. Die Sekundärreflektoren werden nach Spezifikationen gefertigt, die die Reflexionsverluste bei 1 THz auf etwa 0,5 % begrenzen. Das Empfängermodul umfasst rauscharme Detektoren, die auf der Grundlage der für die APEX [8] und ALMA Teleskope verwendeten radioastronomischen Detektoren entwickelt und gebaut wurden. Das Korrelatormodul ermöglicht eine sofortige Spektralverarbeitung einer Bandbreite von 16 GHz mit einer Frequenzauflösung von ≤ 10-6, basierend auf den digitalen Breitbandwandlern (DBBC3) [9], Mark VI Rekordern und dem digitalen FX (DiFX) Korrelator [10], die für radioastronomische Messungen entwickelt und eingesetzt wurden.
Forschungsmöglichkeiten:
Bereits in der Vorbereitungsphase bietet BRASS zahlreiche Möglichkeiten zur Mitarbeit an Forschungsprojekten auf Master- und Doktorandenebene. Beispiele für potenzielle Forschungsbereiche sind:
- Zweidimensionale Halbach-Anordnungen zur Erzeugung großer magnetisierter Oberflächen mit einem starken und homogenen Magnetfeld.
- Optimierung und Kalibrierung des optischen Systems, um optische Verluste zu minimieren und die erforderliche Genauigkeit der BRASS-Messungen sicherzustellen.
- Frontend-Design rauscharmer Detektoren, die die erforderliche Leistung innerhalb der Phase 1 Bänder von BRASS gewährleisten.
- Breitbandige Digitalisierung des Signals unter Verwendung der DBBC3-Technologie zur Optimierung des Datendurchsatzes des Experiments.
- Datenverarbeitung und Signalerfassung, Optimierung der Methodik zur Axion-Signalerfassung in den von BRASS aufgezeichneten Breitbandspektren.
Abbildung 2: BRASS Datenerfassung und Auslesesystem
Aktueller Stand
Der erste Photonen-Experimentierlauf ist abgeschlossen und die Ergebnisse wurden veröffentlicht (JCAP 08 (2023) 077). Derzeit werden die Magnetpaneele installiert, um den ersten Experimentierlauf zur Suche nach ALPs vorzubereiten.
3. A. Ringwald, K. Saikawa, Phys. Rev. D, 93, 085031 (2016) [arXiv:1512.06436].
4. R. Bradley, J. Clark, D. Kinion et al., Rev. Mod. Phys., 75, 777 (2003).
5. S.J. Asztalos, ADMX Collaboration., Phys. Rev. Lett., 104, 041301 (2010) [arXiv:0910.5914].
6. D. Horns, J. Jaeckel, A. Lindner et al., JCAP, 4, 016 (2013) [arXiv:1212.2970].
7. K. Halbach, Nucl.Instrum. and Methods, 169, 1 (1980).
8. R. Güsten, L. Å. Nyman, P. Schilke et al., A&A, 454, L13 (2006).
9. L. Vertatschitsch, R. Primiani, A. Young et al., PASP, 127, 1226 (2015).
10. A.T. Deller, W.F. Brisken, C.J. Phillips et al., PASP, 123, 275 (2011) [arXiv:1101.0885].
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