과학자들이 포착하기 어려운 액시온 입자를 사냥하는 도구를 개발하다

거의 반세기 전에 이론에 의해 액시온이 처음 예측된 이후, 연구자들은 눈에 보이는 우주 외부에 존재할 수 있는 포착하기 어려운 입자의 증거를 암흑 구역에서 찾아 왔습니다. 그런데 눈에 보이지 않는 입자를 어떻게 찾을 수 있을까요? Los Alamos에서 진행된 Coherent CAPTAIN-Mills 실험의 첫 번째 물리학 결과(Physical Review D 저널의 간행물에 방금 설명됨)는 액체 아르곤, 가속기 기반 실험이 초기에 무균 중성미자와 같은 유사 가상 입자를 찾기 위해 고안되었음을 시사합니다. , 은밀한 액시온을 찾기 위한 이상적인 설정일 수도 있습니다.

물리학자 리처드 반 드 워터(Richard Van de Water)는 “암흑 섹터 입자의 확인은 입자 물리학의 표준 모델뿐 아니라 우주의 기원과 진화에 대한 이해에 심오한 영향을 미칠 것”이라고 말했습니다. "물리계의 큰 초점은 이러한 입자를 감지하고 확인하는 방법을 탐색하는 것입니다. Coherent CAPTAIN-Mills 실험은 액시온과 같은 암흑 물질 입자에 대한 기존 예측과 찾기 어려운 암흑 물질을 생성할 수 있는 고강도 입자 가속기를 결합합니다. 문제."

물리학 이론에 따르면 우주의 5%만이 눈에 보이는 물질, 즉 우리가 보고 만지고 느낄 수 있는 것을 구성하는 원자로 구성되어 있으며 나머지 95%는 암흑 섹터로 알려진 물질과 에너지의 조합이라고 합니다. 액시온, 멸균 중성미자 등은 누락된 에너지 밀도의 전부 또는 일부를 설명하고 설명할 수 있습니다.

액시온의 존재는 아원자 세계의 알려진 행동을 설명하는 표준 모델의 오랜 문제를 해결할 수도 있습니다. 때로는 우주의 "화석"이라고도 불리는 빅뱅 직후에 생성된 것으로 추측되는 액시온은 우주의 탄생 순간에 대해 많은 것을 말해 줄 수도 있습니다.

Coherent CAPTAIN-Mills 실험은 Los Alamos의 실험실 감독 연구 개발 프로그램의 상당한 자금과 함께 2019년에 에너지부에서 암흑 부문 연구를 위한 자금을 지원받은 여러 프로젝트 중 하나였습니다. CCM120이라는 프로토타입 탐지기가 2019년 LANSCE(Los Alamos Neutron Science Center) 빔 사이클 동안 제작 및 실행되었습니다. Physical Review D 간행물은 CCM120의 초기 엔지니어링 실행 결과를 설명합니다.

"CAPTAIN-Mills 연구의 첫 번째 실행을 기반으로 한 이 실험은 액시온 검색을 실행할 수 있는 능력을 보여주었습니다"라고 Los Alamos의 프로젝트 물리학자인 Bill Louis는 말했습니다. "우리는 LANSCE의 양성자 빔과 액체 아르곤 검출기 설계가 제공하는 에너지 체계가 액시온 유사 입자 연구에 미지의 패러다임을 제공한다는 사실을 깨닫고 있습니다."

LANSCE에 인접한 Lujan Center에 위치한 Coherent CAPTAIN-Mills 실험은 10톤짜리 과냉각 액체 아르곤 검출기입니다. (CAPTAIN은 중성미자와 아르곤 반응의 정밀 테스트를 위한 극저온 장치를 의미합니다.)

LANSCE 가속기에 의해 생성된 고강도 800메가전자볼트 양성자는 루잔 센터의 텅스텐 표적에 충돌한 후 광범위한 강철 및 콘크리트 차폐 장치를 통과하여 23미터를 횡단하여 액체 아르곤에서 상호작용하는 탐지기까지 이동합니다.

프로토타입 감지기의 내부 벽에는 120개의 8인치 고감도 광전 증배관(따라서 CCM120이라는 이름이 붙음)이 늘어서 있는데, 이 튜브는 일반 또는 암흑 섹터 입자가 액체 아르곤 탱크의 원자와 충돌할 때 발생하는 빛의 섬광(단일 광자)을 감지합니다. 내부 벽의 특수 소재 코팅은 아르곤 발광을 광전자 증배관에서 감지할 수 있는 가시광선으로 변환합니다. 검출기와 빔의 빠른 타이밍은 방사성 붕괴에서 빔 중성자, 우주선, 감마선과 같은 배경 입자의 영향을 제거하는 데 도움이 됩니다.

Axions는 "매우 동기부여"되어 있기 때문에 큰 관심을 끌고 있습니다. 즉, 그 존재는 표준 모형을 넘어서는 이론에 강력하게 암시되어 있습니다. 70년 넘게 개발된 표준 모델은 물질의 구성 요소인 원자의 행동을 지배하는 네 가지 기본 힘(전자기력, 약핵력, 강핵력) 중 세 가지를 설명합니다. (네 번째 힘인 중력은 아인슈타인의 상대성 이론으로 설명됩니다.) 그러나 모델이 반드시 완전하지는 않습니다.