LInternational Axion Observatory (IAXO) è un elioscopio assionale di nuova generazione dedicato alla ricerca di assioni solari e di particelle simili agli assioni (ALP). Rappresenta l’evoluzione del CERN Axion Solar Telescope (CAST), attivo tra il 2003 e il 2022. IAXO sarà realizzato ampliando e perfezionando il concetto di elioscopio, con dimensioni significativamente maggiori e tempi di osservazione prolungati.

La collaborazione IAXO La lettera di intenti dell’International Axion Observatory è stata presentata al CERN nell’agosto 2013. Successivamente, la collaborazione IAXO è stata formalmente costituita nel luglio 2017 e ha ottenuto un finanziamento iniziale dal Consiglio Europeo della Ricerca nell’ottobre 2018. L’obiettivo a breve termine del progetto è la realizzazione di una versione precursore dell’esperimento, denominata BabyIAXO, che sarà installata presso il laboratorio DESY in Germania..

La collaborazione IAXO è formata da 21 istituti provenienti da sette paesi.

Principio di funzionamento

L'esperimento IAXO si basa sul principio dell'elioscopio. Gli assioni possono essere prodotti nelle stelle (come il Sole) tramite l'effetto Primakoff e altri meccanismi. Questi assioni raggiungerebbero l'elioscopio e verrebbero convertiti in fotoni di soft-raggi X in presenza di un campo magnetico. Quindi, questi fotoni viaggiano attraverso un'ottica di focalizzazione a raggi X e sono attesi come un eccesso di segnale nel rivelatore quando il magnete punta verso il Sole.

Il potenziale dell'esperimento può essere stimato mediante la figura di merito (FOM), che può essere definita come , dove il primo fattore è legato al magnete e dipende dal campo magnetico (B), dalla lunghezza del magnete (L) e dall'area del foro (A). La seconda parte dipende dall'efficienza () e lo sfondo (b) del rivelatore. Il terzo è legato all'ottica, più specificatamente all'efficienza ( ) e l'area del segnale focalizzato sulla lettura del rivelatore ( ). L'ultimo termine è correlato al tempo (t) di funzionamento e alla frazione di tempo in cui il sole viene tracciato (). L'obiettivo è massimizzare il valore della cifra di merito per ottimizzare la sensibilità dell'esperimento agli assoni.

Sensibilità e potenziale fisico

IAXO sarà progettato principalmente per la ricerca di assioni solari, ma offrirà anche la possibilità di rilevare l’assione della cromodinamica quantistica (QCD) in un intervallo di massa compreso tra 1 meV e 1 eV. Inoltre, si prevede che l’esperimento possa individuare anche particelle tipo assione (ALP). Di conseguenza, IAXO presenta il potenziale per affrontare e chiarire sia il problema della violazione CP forte sia quello della materia oscura.

Potrebbe anche essere successivamente adattato per testare modelli di fotoni nascosti ipotizzati o camaleonti. Inoltre, il magnete può essere utilizzato come un aloscopio per cercare la materia oscura degli assioni.

IAXO avrà una sensibilità all'accoppiamento assione-fotone 1–1,5 ordini di grandezza superiore a quella raggiunta dai precedenti rivelatori.

Fonti Axion accessibili a IAXO Ogni particella trovata da IAXO sarà almeno una componente sub-dominante della materia oscura. L'osservatorio sarebbe in grado di osservare da un'ampia gamma di sorgenti indicate di seguito.

Assoni solari. Assoni QCD. Assioni di materia oscura. Assoni da indizi astrofisici come il raffreddamento anomalo delle nane bianche e delle stelle di neutroni, ammassi globulari e stelle supergiganti alimentate dall'elio.

IAXO: Osservatorio Internazionale degli Assioni

IAXO sarà un elioscopio potenziato di nuova generazione, con un rapporto segnale/rumore cinque ordini di grandezza superiore rispetto ai rivelatori attuali. L'area della sezione trasversale del magnete dotato di un'ottica di focalizzazione dei raggi X è pensata per aumentare questo rapporto segnale/rumore di fondo. Quando gli assioni solari interagiscono con il campo magnetico, alcuni di essi potrebbero convertirsi in fotoni attraverso l'effetto Primakoff. Questi fotoni verrebbero quindi rilevati dai rivelatori di raggi X dell'elioscopio.

Il magnete sarà un superconduttore di grandi dimensioni appositamente costruito con una lunghezza di 20 m e un'intensità di campo media di 2,5 tesla. L'intero elioscopio sarà dotato di otto fori da 60 cm di diametro. Ciascuno dei fori sarà dotato di un'ottica a raggi X focalizzante e di un rivelatore di raggi X a basso fondo. L'elioscopio sarà inoltre dotato di un sistema meccanico che gli consentirà di seguire il sole in modo costante per metà giornata. I dati di tracciamento saranno acquisiti durante il giorno e i dati di fondo saranno acquisiti durante la notte, che rappresenta la suddivisione ideale tra dati e fondo per stimare correttamente il tasso di eventi in ciascun caso e determinare il segnale assionale.

BabyIAXO

BabyIAXO è una versione su scala intermedia dell'esperimento IAXO con potenziale di scoperta di assioni e una FOM circa 100 volte più grande di CAST. Servirà anche come prototipo tecnologico di tutti i sottosistemi dell'elioscopio come primo passo per esplorare ulteriori miglioramenti all'esperimento IAXO finale.

BabyIAXO sarà installato nella HERA South Hall del DESY ad Amburgo, in Germania, dalla collaborazione IAXO con il coinvolgimento del DESY e del CERN. L'acquisizione dati da parte di BabyIAXO è prevista per il 2028.

Design BabyIAXO Sebbene la progettazione sia un processo in corso, il progetto concettuale di BabyIAXO è stato pubblicato nel 2021. Sarà costituito da un  magnete lungo 10 m con 2 fori e 2 linee di rilevamento, ciascuno dotato di un'ottica a raggi X e di un rilevatore di raggi X a bassissimo rumore di fondo.

Magnete Il magnete superconduttore ha una configurazione a bobina comune per generare un forte campo magnetico su un ampio volume. Sarà lungo 10 metri e sarà costituito da due bobine parallele a circuito chiuso realizzate in cavo Rutherford stabilizzato in alluminio. Questa configurazione genererà un campo magnetico di 2,5 tesla all'interno delle due bobine. Fori di diametro cm situati tra le bobine.

Ottica a raggi X Poiché BabyIAXO avrà due fori nel magnete, sono necessarie due ottiche a raggi X che funzionino in parallelo. Entrambe sono ottiche Wolter (tipo I). Il segnale proveniente dal il foro di diametro 70 cm sarà focalizzato su un'area di 0,2  sulla superficie del rivelatore.

Una delle due ottiche BabyIAXO sarà costituita da due tecnologie ottiche a raggi X. La parte interna sarà basata su una tecnologia matura sviluppata per il satellite a raggi X NuSTAR della NASA. La parte esterna sarà prodotta utilizzando vetro curvato a freddo dall'INAF. La lunghezza focale di questa ottica sarà di 5 m.

La seconda ottica BabyIAXO sarà uno dei moduli di volo della missione spaziale XMM-Newton dell'ESA. La lunghezza focale di questa ottica è di 7.5 m.

Rilevatori IAXO e BabyIAXO saranno dotati di rivelatori multipli e diversificati che funzioneranno in parallelo, montati sui diversi fori magnetici. Sulla base dell'esperienza di CAST, la tecnologia di base dei rivelatori sarà una camera a proiezione temporale (TPC) con un sistema di lettura MicroMegas. Sono inoltre allo studio diverse altre tecnologie: GridPix, calorimetri magnetici metallici (MMC), rivelatori a deriva di silicio (SDD) e sensori di transizione (TES).

I rivelatori per questo esperimento devono soddisfare determinati requisiti tecnici. Necessitano di un'elevata efficienza di rivelazione nella regione di interesse (ROI) (1 - 10 keV ) dove è previsto il segnale assionale di Primakoff. Necessitano inoltre di un fondo radioattivo molto basso nella ROI di meno di (meno di 3 conteggi all'anno di dati). Per raggiungere questo livello di fondo, il rilevatore si basa su:

L'uso di schermatura passiva per bloccare i raggi gamma ambientali, in genere il piombo. L'uso di schermature attive per etichettare gli eventi indotti dai raggi cosmici, costituite da scintillatori plastici con sensori di luce. La radiopurezza intrinseca dei materiali di costruzione, come rame ultrapuro, Kapton o Teflon . Strategie avanzate di discriminazione degli eventi basate su informazioni topologiche, convalidate con simulazioni.

Note

Voci correlate CERN Axion Solar Telescope

Collegamenti esterni

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