El Observatorio Internacional de Axiones (IAXO por sus siglas en inglés) es un helioscopio de axiones de próxima generación para la búsqueda de axiones solares y partículas similares a axiones (ALP). Es la continuación del Telescopio Solar Axion del CERN (CAST), que funcionó entre 2003 y 2022. IAXO se creará implementando el concepto de helioscopio llevándolo a mayores dimensiones y tiempos de observación más prolongados.

La colaboración IAXO La carta de intenciones para el Observatorio Internacional Axion fue presentada al CERN en agosto de 2013. IAXO se fundó formalmente en julio de 2017 y recibió una subvención avanzada del Consejo Europeo de Investigación en octubre de 2018. El objetivo a corto plazo de la colaboración es construir una versión precursora del experimento, llamada BabyIAXO, que estará ubicada en DESY, Alemania.

La Colaboración IAXO está formada por 21 institutos de 7 países diferentes.

Principio de funcionamiento miniaturadeimagen| Flujo de axiones solares debido al acoplamiento axión-electrón (rojo) y flujo de Primakoff del acoplamiento axión-fotón (azul). El experimento IAXO se basa en el principio de helioscopio. Los axiones pueden producirse en estrellas (como el Sol) a través del efecto Primakoff y otros mecanismos. Estos axiones llegarían al helioscopio y se convertirían en fotones de rayos X debido a la presencia de un campo magnético. Luego, estos fotones viajarían a través de una óptica de enfoque de rayos X y se esperan como un exceso de señal en el detector cuando el imán apunta al Sol. alt=Axion heliscope's principle of operation|centro| Principio de funcionamiento del heliscopio Axion El potencial del experimento se puede estimar mediante la figura de mérito (FOM), que se define como . El primer factor está relacionado con el imán y depende del campo magnético (B), la longitud del imán (L) y el área del orificio (A). La segunda parte depende de la eficiencia () y el fondo (b) del detector. El tercero está relacionado con la óptica, más concretamente con la eficiencia () y el área de la señal enfocada en el plano de lectura detector (). El último término está relacionado con el tiempo (t) de funcionamiento y la fracción de tiempo en que se sigue al sol (). El objetivo es maximizar el valor de la figura de mérito para optimizar la sensibilidad del experimento .

Sensibilidad y potencial de física miniaturadeimagen| Panorama del acoplo axión-fotón IAXO buscará principalmente axiones solares, con el potencial para observar el axión de la cromodinámica cuántica (QCD) en el rango de masa de 1 meV a 1 eV. También se espera que sea capaz de descubrir ALP. Por lo tanto, IAXO tendrá el potencial de resolver tanto el problema de CP fuerte como el problema de la materia oscura.

También podría adaptarse más adelante para probar modelos como los hipotéticos fotones ocultos o camaleones . Además, el imán se puedrá utilizar como haloscopio para buscar materia oscura axónica.

IAXO tendrá una sensibilidad al acoplamiento axión-fotón entre 1 y 1,5 órdenes de magnitud superior a la alcanzada por los detectores anteriores.

Fuentes de axiones accesibles con IAXO Cualquier partícula encontrada por IAXO será al menos un componente subdominante de la materia oscura. El observatorio sería capaz de observar entre una amplia gama de fuentes que se indican a continuación.

Axiones solares. Axiones de QCD. Axiones de materia oscura. Axiones provenientes de indicios astrofísicos como el enfriamiento anómalo de enanas blancas y estrellas de neutrones, cúmulos globulares, y estrellas supergigantes alimentadas por helio.

IAXO: El Observatorio Internacional de Axiones miniaturadeimagen| Diseño conceptual del Observatorio Internacional AXion IAXO será un helioscopio mejorado de próxima generación, con una relación señal-ruido cinco órdenes de magnitud mayor que los detectores actuales. El área de la sección transversal del imán junto con la óptica de enfoque de rayos X está destinada a aumentar esta relación señal/fondo. Cuando los axiones solares interactúan con el campo magnético, algunos de ellos pueden convertirse en fotones a través del efecto Primakoff . Estos fotones serían luego detectados por los detectores de rayos X del helioscopio.

El imán será un superconductor de gran escala construido específicamente para el experimento, contará con una longitud de 20 m y una intensidad de campo media de 2,5 tesla . El helioscopio completo estará formado por ocho líneas de 60 cm de diámetro. Cada una de las líneas estará equipada con una óptica de enfoque de rayos X y un detector de rayos X de bajo fondo. El helioscopio también estará equipado con un sistema mecánico que le permitirá seguir el sol de manera consistente durante la mitad del día. Los datos de seguimiento se tomarán durante el día y los datos de fondo se tomarán durante la noche, esta es la división ideal de datos de seguimiento y fondo para estimar adecuadamente la tasa de eventos en cada caso y determinar la señal del axión.

BabyIAXO miniaturadeimagen| Diseño conceptual del helioscopio BabyIAXO

Diseño de BabyIAXO Si bien el diseño es un proceso en curso, el diseño conceptual de BabyIAXO se publicó en 2021. Estará compuesto por un imán de 10 m de largo con 2 orificios y 2 líneas de detección equipadas cada una con una óptica de rayos X y un detector de rayos X de fondo ultra bajo.

Imán El imán superconductor tiene una configuración de bobina común para generar un campo magnético fuerte en un gran volumen. La longitud será de 10 metros y estará formada por dos bobinas de pistas paralelas fabricadas con cable Rutherford estabilizado con aluminio. Esta configuración generará un campo magnético de 2,5 tesla dentro de los dos orificios de 70 cm de diámetro situados entre las bobinas.

Óptica de rayos X Dado que BabyIAXO tendrá dos orificios en el imán, se requieren dos ópticas de rayos X que funcionen en paralelo. Ambas son ópticas Wolter (tipo I). La señal del orificio de 70 cm de diámetro se focalizará en un área de 0,2  en la superficie del detector.

Una de las dos ópticas de BabyIAXO será una combinación de dos tecnologías ópticas de rayos X. La parte interior se basará en una tecnología desarrollada para el satélite de rayos X NuSTAR de la NASA. La parte exterior será fabricada mediante cold slumped glass por el INAF. La distancia focal de esta óptica será de 5 metro.

Detectores IAXO y BabyIAXO tendrán múltiples y diversos detectores trabajando en paralelo, montados en los diferentes orificios del imán. Basándose en la experiencia de CAST, la tecnología de detección de referencia será una cámara de proyección de tiempo (TPC) con un plano de lectura de MicroMegas . Además, hay otras tecnologías en estudio: GridPix, calorímetros magnéticos metálicos (MMC), detectores de deriva de silicio (SDD) y sensores de borde de transición (TES).

Los detectores para este experimento deben cumplir ciertos requisitos técnicos. Necesitan una alta eficiencia de detección en la región de interés (ROI) (1 – 10 keV ) donde se espera la señal del axión Primakoff. También necesitan un fondo radiactivo muy bajo, de menos de (menos de 3 cuentas por año de datos). Para alcanzar este nivel de fondo, el detector se basa en:

Utilización de blindaje pasivo para bloquear los rayos gamma ambientales, típicamente plomo. Utilización de blindaje activo para identificar eventos inducidos por rayos cósmicos consistente en centelleadores de plástico con sensores de luz. Radiopureza intrínseca de los materiales de construcción, como el cobre ultrapuro, el Kapton o el teflón . Estrategias avanzadas de discriminación de eventos basadas en información topológica y validadas mediante simulaciones.

Véase también

Telescopio solar Axion del CERN

Referencias

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