国際アクシオン観測所

国際アクシオン観測所

IAXO ロゴ
前任者	CERN アクシオン太陽望遠鏡
形成	2017年7月、ハンブルクDESYにて
法的地位	建設中
目的	標準モデルを超えたアクシオンやその他の物理学の探索
本部	DESY、ハンブルク、ドイツ
フィールド	天体素粒子物理学
スポークスマン	イゴール・G・イラストルザ
Webサイト	iaxo.desy.de iaxo_offical

国際アクシオン観測所（IAXO ）は、太陽アクシオンとアクシオン様粒子（ALP）の探索を目的とした次世代のアクシオンヘリオスコープです。 2003年から2022年まで運用されていたCERNアクシオン太陽望遠鏡（CAST）の後継機です。 ^[1] IAXOはヘリオスコープのコンセプトを実装して設置され、より大型で観測時間が長くなります。^{[2] [3] [4]}

国際アクシオン観測所の趣意書は2013年8月にCERNに提出された。 ^[5] IAXOは2017年7月に正式に設立され、 2018年10月に欧州研究会議から先進的助成金を受けた^{。[6]共同研究の短期的な目標は、ドイツの}DESYに設置されるBabyIAXOと呼ばれる実験の前身バージョンを構築することである。^{[1] [7] [8] [9]}

IAXO コラボレーションは、7 か国 21 の機関によって構成されています。

IAXO 実験は、ヘリオスコープの原理に基づいています。アクシオンは、プリマコフ効果やその他のメカニズムによって、恒星 (太陽など) で生成されます。これらのアクシオンはヘリオスコープに到達し、磁場の存在下で軟 X 線光子に変換されます。その後、これらの光子は集束 X 線光学系を通過し、磁石が太陽を指しているときに検出器で過剰信号として検出されます。

実験の可能性は性能指数 (FOM)によって推定できます。これは と定義され、最初の要素は磁石に関連し、磁場 ( B )、磁石の長さ ( L )、およびボアの面積 ( A ) に依存します。2 番目の部分は検出器の効率 ( ) とバックグラウンド ( b ) に依存します。3 番目は光学系に関連し、より具体的には効率 ( ) と検出器の読み出しにおける焦点を合わせた信号の面積 ( ) です。最後の項は動作時間 ( t ) と太陽が追跡される時間の割合 ( ) に関連しています。目的は、アクシオンに対する実験の感度を最適化するために性能指数の値を最大化することです。 ${\displaystyle FOM\sim B^{2}L^{2}A\times \epsilon _{d}b^{-1/2}\times \epsilon _{o}\alpha ^{-1/2}\times \epsilon _{t}^{1/2}t^{1/2}}$${\displaystyle \epsilon_{d}}$${\displaystyle \epsilon_{o}}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \epsilon_{t}}$

IAXOは主に太陽アクシオンの探索を目的としていますが、1 meVから1 eVの質量範囲で量子色力学（QCD）アクシオンを観測する可能性もあります。また、ALPを発見する能力も期待されています。 ^{[1]したがって、IAXOは強い}CP問題と暗黒物質問題の両方を解決する可能性があります。^{[2] [10] [11]}

また、この磁石は、後に仮説上の隠れた光子やカメレオンのモデルをテストするためにも応用される可能性がある。^{[2] [3]}また、この磁石は、アクシオン暗黒物質を探すためのハロスコープとしても使用できる。

IAXOは、従来の検出器よりも1～1.5桁高いアキシオン-光子結合感度を持つ。^[1]

IAXOで発見された粒子は、少なくとも暗黒物質の準主要成分である。この観測所は、以下に示すような広範囲の源から観測することができる。^{[1] [5]}

1. 太陽アクシオン。
2. QCD アクシオン。
3. 暗黒物質アクシオン。
4. 白色矮星や中性子星の異常冷却、球状星団、ヘリウムを動力源とする超巨星などの天体物理学的ヒントからのアクシオン。^[1]

IAXO ^[12]は次世代の強化型ヘリオスコープで、現在の検出器に比べて信号対雑音比が5桁も高い。X線集束光学系を備えた磁石の断面積は、この信号対背景比を高めるためのものである。太陽のアクシオンが磁場と相互作用すると、プリマコフ効果によってアクシオンの一部が光子に変換される可能性がある。これらの光子はヘリオスコープのX線検出器によって検出される。

磁石は、長さ 20 メートル、平均磁場強度 2.5テスラの専用大型超伝導体です 。ヘリオスコープ全体には、直径 60 センチメートルの穴が 8 つあります。各穴には、集束 X 線光学系と低バックグラウンド X 線検出器が装備されます。ヘリオスコープには、半日中太陽を一貫して追跡できる機械システムも装備されます。追跡データは日中に取得され、バックグラウンド データは夜間に取得されます。これは、各ケースでイベント レートを適切に推定し、アクシオン信号を決定するためのデータとバックグラウンドの理想的な分割です。

BabyIAXO ^[13]は、IAXO実験の中間規模のバージョンであり、アクシオン発見の可能性とCASTの約100倍のFOMを備えています。また、最終的なIAXO実験のさらなる改善を検討するための第一歩として、ヘリオスコープのすべてのサブシステムの技術的プロトタイプとしても機能します。

これは、2 つのボアと、それぞれ X 線光学系と超低バックグラウンド X 線検出器を備えた 2 つの検出ラインを備えた 10 メートルの長さの磁石で構成されます。

BabyIAXOは、ハンブルク（ドイツ）のDESY ^[14]のHERA South Hallに、DESYとCERNの協力によるIAXO共同プロジェクトによって 設置される予定である。BabyIAXOによるデータ収集は2028年に開始される予定である。

超伝導磁石は、大きな体積にわたって強力な磁場を発生させるために、トロイダルマルチボア構成になっています。これは、35 kmのラザフォードケーブルで作られた2つの異なるコイルで構成される10 mの長さの磁石です。この構成により、直径70 cmの2つのボア内に2.5テスラの磁場が生成されます。磁石サブシステムは、ATLAS実験に触発されています。^{[1] [5]}

BabyIAXO には磁石に 2 つの穴があるため、2 つの X 線光学系を並列に動作させる必要があります。これらは両方ともWolter 光学系(タイプ I) です。

BabyIAXOの2つの光学系のうち1つは、 NASAのNuStar X線衛星用に開発された成熟した技術に基づいています。^[5]直径0.7mのボアからの信号は0.2の領域に焦点を合わせます。 ${\displaystyle \mathrm {cm^{2}} }$

2番目のBabyIAXO光学系は、 ESAに属するXMM-Newton宇宙ミッションの飛行モデルの1つになります。

IAXO と BabyIAXO には、異なる磁石の穴に取り付けられ、並行して動作する複数の多様な検出器が搭載されます。CAST の経験に基づいて、ベースラインの検出器技術は、 Micromegas読み出し機能を備えたタイム プロジェクション チャンバー(TPC)になります。さらに、GridPix、金属磁気熱量計 (MMC)、遷移エッジ センサー(TES)、シリコン ドリフト検出器(SDD) など、いくつかの他の技術も研究中です。

この実験の検出器は、特定の技術的要件を満たす必要があります。プリマコフアクシオン信号が予想されるROI (1 – 10 keV ) で高い検出効率が必要です。また、ROI での放射性バックグラウンドが非常に低く(データ 1 年あたり 3 カウント未満) なければなりません。このバックグラウンド レベルを達成するために、検出器は次の要素に依存します。 ${\displaystyle \mathrm {10^{-7}counts\,keV^{-1}cm^{-2}s^{-1}} }$

1. 環境ガンマ線を遮断するためにパッシブシールドの両方を使用します。
2. 宇宙線誘発事象をタグ付けするためのアクティブの使用。
3. 建設資材の固有の放射純度。
4. シミュレーションで検証された、トポロジ情報に基づく高度なイベント識別戦略。

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