私たちは、非常に困難な探索を説明するときに、「干し草の山から針を見つけるような」という表現をよく使います。しかし、針がどのようなものであるか、あるいは針がどのくらいの大きさであるかまったく知らなかったと仮定してください。おそらく、針は予想よりも 1,000 分の 1 小さい可能性があります。その場合、あなたの課題は、暗黒物質研究の分野で試みられている課題の難しさに近づいている可能性があります。
宇宙の現在の状態を説明するには暗黒物質 (および暗黒エネルギー) の存在が必要ですが、宇宙についてはほとんど何もわかっておらず、その最も基本的な特性さえもわかっていません。このように科学者たちは、暗黒物質を理解するためにさまざまな研究に取り組んできました。 「ナローギャップ半導体を使った光暗黒物質の粒子の探索」、略して「SPLENDOR」として知られるこれらのプロジェクトの 1 つは、SLAC 国立加速器研究所、ロスアラモス国立研究所 (LANL)、CSU の科学者間の共同研究です。イースト ベイ、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校、サンタ クララ大学1.
研究者たちは探索の際に次のことを使用しています。 Moku:Proは、14 を超えるソフトウェア定義の計測器を提供する FPGA ベースのテストおよび測定デバイスです。を活用して データロガー 楽器と木 Python API、チームは非常に高感度のDM検出器を作成し、予期せぬ場所、つまり最も一般的な検出器の範囲をはるかに下回るエネルギースケールで暗黒物質（DM）を探索できるようにしました。
課題
物理学では、素粒子のサイズは通常、質量の単位ではなく、エネルギー、特に電子ボルト (eV) で表されます。これら 511 つの量は、アインシュタインの有名な質量エネルギー等価式によって関連付けられています。たとえば、電子の静止質量は約 1 keV です。典型的な暗黒物質実験では、MeV から GeV、または場合によってはそれ以上のエネルギー範囲で、WIMP やアクシオンなどの理論化された粒子を探索します。一方、SPLENDOR は XNUMX MeV 以下のエネルギースケールに注目しており、そのため「軽い」暗黒物質という用語が生まれています。ただし、この範囲で実験を実行するには、柔軟な新しい暗黒物質検出器が必要です。
提案されている暗黒物質粒子のエネルギーが低いことを考えると、非常に高感度な検出器が必要となります。この点において、SPLENDOR は LANL の豊富な材料科学の歴史を活用して、1 ～ 100 meV の範囲のバンドギャップを持ち、光 DM イベントを検出するのに十分な感度を備えた新しい半導体デバイスを作成します。ダークマター粒子が半導体内の材料に衝突すると、小さな電流応答が生成されます。 ただし、これらのイベントはランダムな時間に発生するため、電流応答は室温の電子機器のノイズで簡単に失われる可能性があります。
ソリューション
これらの信じられないほど低エネルギーのイベントを正確に記録するために、研究チームは市販の希釈冷凍機を使用して検出器パッケージ (図 1 を参照) を 0.01 K まで冷却しました。このセットアップにより電気ノイズが最小限に抑えられ、リアルタイムでイベントを監視できるクリーンな環境が提供されます。
図 1. 軽い暗黒物質の検出スキーム。左: コンパクトな極低温ハウジングに取り付けられた半導体ベースの暗黒物質検出器の写真。写真提供：ロスアラモス国立研究所。右: 10 mK から室温までの測定チェーンの概略図。プレプリントより転載2.
SPLENDOR チームは、クライオスタット内で、さまざまな温度段階でイベント電流信号を増幅する、賢い 1 つの HEMT スキームも考案しました (図 7)。このアプローチにより、シグナルを希釈冷蔵庫から安全に取り出し、室温で記録することができます。検出器がない状態でシステムの入力ノイズを測定することにより、チームは約 XNUMX の予想分解能を報告しました。e、または個々の電子の 7 倍の電荷。
しかし、それでも、研究者にとって都合のよいタイミングで暗黒物質粒子が現れるとは限りません。軽い DM イベントを検索するには、システムを常に監視する必要がありますが、チームはデータ ロガーを使用してこれを実現しました。図 2 に示すように、クライオスタットからの出力ラインは Moku:Pro の入力チャンネルに接続されています。
図 2: SLAC での SPLENDOR 実験装置。ラックに取り付けられた Moku:Pro は、図に示されている Oxford Proteox 希釈冷蔵庫内にある検出器からのイベントを検出する準備ができています。写真提供：SLAC National Accelerator Lab.
研究者が暗黒物質イベントをスキャンする準備ができたら、データ ロガーは 1 分以上のウィンドウでシステムを継続的に監視するように設定されます。 Moku:Pro 入力の電圧は時間の関数として記録され、「イベント」を表す急激に指数関数的に上昇するピークが現れます。
ただし、これらのイベントの一部は振幅が低く、肉眼では簡単に検出できません。イベントが現れるにはデータの後処理が必要です。幸いなことに、データ ファイルは、組み込みの Moku:Pro ファイル コンバーターを使用してネイティブ .li 形式から .csv、.npy、または .hdf5 に簡単に変換でき、Python にインポートしてさらに分析することができます。 SPLENDOR によって収集されたデータがどのように処理および処理されるかについて詳しくは、当社の Web サイトをご覧ください。 SPLENDAQ のブログ投稿、LANL 研究者のサミュエル・ワトキンス博士によって開発されたオープンソースのデータ分析ツール。
プロジェクトに参加したときに Moku:Pro を使い始めたワトキンス博士は、データ ロガーはカスタム データ収集 (DAQ) システムを使用する場合と比べて優れていると述べています。
「Moku のような汎用システムがすでに存在する中で、私たちはある種の自家製 DAQ を作成するために膨大な開発時間を節約しています」と彼は言いました。 「また、ほとんどの場合、最初に Moku アプリの GUI を使用するので、さまざまな設定を変更するときにライブ データを簡単に確認できます。自分たちで GUI を作成すると、集中的なプログラミング作業になります。」
結果
どの検出器構成が軽い暗黒物質イベントを捕捉するのに最も効率的であるかは、まだ正確には不明である。しかし、新しい測定ツールを導入したことで、SPLENDOR チームは、検出器のサイズに関係なく、感度をさらに高め、暗黒物質の秘密を探究できるようにするという目標を持って、多くの新しい検出器の設計と半導体の組み合わせを迅速に繰り返すことができます。彼らは諺通りの干し草の山から探している「針」です。ワトキンス博士は、この取り組みにおいて Moku:Pro とそのソフトウェアの標準化が役割を果たすと考えています。
「Moku は、データ収集の面で私たちの分野で一般化されたオープンソース ソフトウェアを利用できるようにするという目標を達成するのに役立つと確信しています」と彼は言いました。 「私たちには、 Moku:Go イベント構築用の SPLENDAQ パッケージ、そして Moku API のオープンソースの性質がなければ、研究室に一度行っただけでシステムをセットアップすることはできなかったでしょう。」
詳細については、次のプレプリントをお読みください。 arXivの2.
ご質問がある場合
ナレッジベースのFAQから回答を見つけてください
機器の機能や使い方についてご質問がある場合は、ナレッジベースをご覧ください。また、人気の記事をすばやく表示したり、製品やトピックで検索を絞り込むこともできます。
ユーザーフォーラムに参加してください
新機能のご提案がありますか？あるいは、ヒントを共有したいですか？ユーザーフォーラムでは、使用例、新機能の発表、製品のアップデートなど、Liquid Instrumentsとグローバルユーザーコミュニティとのつながりをワンストップで提供しています。
脚注
[1] レポート番号 LA-UR-24-20436
[2] J. アンツァルスキー ら。低温検出器用の 2 段極低温 HEMT ベースのアンプ。 arXiv:2311.02229 [physics.ins-det]、2023。
