개요
University of Alberta 소속 연구원들은 암흑물질 탐지 기술을 개선하기 위해 초민감 장치를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 위해서는 처음에는 실험실의 프로토타입으로, 궁극적으로는 지하 2km에 설치되는 온라인 모니터링 시스템으로 고정밀 측정이 필요합니다. Moku:Lab의 컴팩트한 폼 팩터와 다용도성을 통해 연구자들은 다양한 환경에서 실험을 수행하여 암흑 물질 탐색기의 민감도를 결정할 수 있습니다.
난제
암흑물질은 우리 우주 질량의 80% 이상을 차지하는 것으로 추정되지만, 여전히 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아있습니다. 그 존재는 일반 물질에 대한 중력 효과를 통해 추론은 되지만, 과학자들은 암흑 물질 입자를 실제로 관찰하여 증명하기 위해 탐색기 관련 기술 개발에 전념하고 있습니다. NEWS-G (New Experiments with Spheres - Gas) 실험과 공동연구중인 University of Alberta 물리학과 조교수 Marie-Cecile Piro 박사와 연구 그룹은 네온과 메탄 가스를 포함하는 구형 비례 계수기라는 탐색기를 사용하여 작업하고 있습니다.
그림 1: 지하 2km SNOLAB에 설치되는 동안 NEWS-G 실험의 암흑물질 탐지기(NEWS-G 협력 이미지).
암흑물질이 탐지기와 상호작용하는 확률은 탐지기 내 메탄 양과 직접적인 관련이 있습니다. Piro 박사는 "메탄의 양은 탐지기의 감도에 영향을 미칩니다. 1%의 차이 조차도 엄청난 차이가 있을 수 있으므로 매우 정밀한 측정이 필요합니다."라고 말했습니다. “연구팀은 현재 석사 과정 학생 Carter Garrah와 함께 물리학 데이터를 분석하여 암흑물질을 탐지할 수 있는 메탄 PPB 레벨 탐지용 레이저 분광학 기술을 개발했습니다.”
프로토타입 측정 시스템의 초기 개발 및 특성화는 Piro 연구실에서 수행되지만 궁극적으로는 우주복사선으로부터 실험을 보호하기 위해 지하 2km에 위치한 주 탐지기와 함께 배치될 것입니다. 시간이 지남에 따라 탐지기의 활성 표적 특성을 보장하려면 탐지기의 메탄 농도를 실시간으로 지속적으로 모니터링하는 것이 필수적입니다.
해법
University of Alberta의 연구원들은 측정 성능, 유연성 및 컴팩트한 디자인의 조합을 기반으로 Moku:Lab을 선택했습니다. Moku:Lab의 락인 증폭기를 사용하면 매우 작은 신호를 감지하여 탐지기의 메탄 수준을 정확하게 측정할 수 있습니다. 내장된 오실로스코프는 신호 처리 체인의 여러 지점에서 신호를 시각화하여 실험 문제를 해결하거나 최적화합니다. Piro 박사는 “이는 시운전 중에 문제를 이해하고 필요한 설정을 결정하는 데 정말 도움이 됩니다.”라고 말했습니다.
그림 2: 프로토타입 레이저 분광학 측정 시스템의 블록 다이어그램. 탐지기에서 나오는 가스는 LAS 튜브를 통해 순환하며 레이저 분광법을 사용하여 메탄 농도를 감지합니다. Moku:Lab은 포토다이오드 출력 신호를 감지하고 다이오드 레이저를 구동하기 위한 오류 신호를 생성합니다(Carter Garrah의 이미지).
Moku:Lab의 컴팩트한 폼 팩터를 사용하면 실험실에서 쉽게 작업할 수 있으며 시스템이 준비되면 기본 탐지기를 모니터링하기 위해 배포할 수 있습니다. iPad 무선 디스플레이를 사용하면 측정을 제어하면서 실험실 주위를 이동할 수 있습니다. 추가 통합 기기에 대한 액세스는 이 프로젝트 및 관련 프로젝트의 다른 측면을 탐색할 때 유용할 것입니다.
그림 3: 실험실에 표시된 레이저 분광학 측정 시스템 프로토타입 물리 세팅(Carter Garrah의 이미지).
결과
암흑 물질을 찾는 데에는 많은 미스터리가 남아 있습니다. 알려지지 않은 것이 너무 많아 실험실을 갖추는 것이 어려울 수 있지만 Piro 박사와 팀은 Moku:Lab을 통해 가능성을 탐구하기를 기대하고 있습니다. “Moku:Lab을 보유하는 것은 신호를 분석하고 가스 농도를 모니터링하는 데 자산이 될 것이지만 다른 응용 프로그램도 찾을 수 있을 것이라고 확신합니다.”라고 그녀는 말했습니다. Moku:Lab의 고정밀 락인 증폭기는 NEWS-G 검출기가 우주에 대해 더 많은 것을 이해하려고 노력할 때 암흑 물질에 대한 민감도를 결정하는 데 필수적인 장비입니다.
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