L'Observatoire international d'Axion (IAXO) est un hélioscope de nouvelle génération destiné à la recherche d'axions solaires et de particules de type Axion (ALP). Il fait suite au CERN Axion Solar Telescope (CAST), qui a fonctionné de 2003 à 2022. IAXO sera mis en place en mettant en œuvre le concept d'hélioscope, en l'agrandissant et en prolongeant les temps d'observation.
La collaboration IAXO La lettre d'intention pour l'Observatoire international Axion a été soumise au CERN en . IAXO a été officiellement fondé en et a reçu une subvention avancée du Conseil européen de la recherche en . L'objectif à court terme de la collaboration est de construire une version précurseur de l'expérience, appelée BabyIAXO, qui sera située à DESY en Allemagne.
La collaboration IAXO est formée de 21 instituts de sept pays.
Principe de fonctionnement vignette|Flux d'axions solaires dû au couplage axion-électron (rouge) et flux Primakoff issu du couplage axion-photon (bleu). L'expérience IAXO repose sur le principe de l'hélioscope. Des axions peuvent être produits dans les étoiles (comme le Soleil) grâce à l'effet Primakoff et à d'autres mécanismes. Ces axions atteignent l'hélioscope et sont convertis en photons X en présence d'un champ magnétique. Ces photons traversent ensuite une optique de focalisation des rayons X et sont attendus comme un excès de signal dans le détecteur lorsque l'aimant pointe vers le Soleil. alt=Axion heliscope's principle of operation|centré|Principe de fonctionnement de l'héliscope Axion Le potentiel de l'expérience peut être estimé à moyen du facteur de mérite (FOM), qui peut être défini comme , où le premier facteur est lié à l'aimant et dépend du champ magnétique (B), de la longueur de l'aimant (L) et de la surface de l'alésage (A). Le second facteur dépend du rendement () et l'arrière-plan (b) du détecteur. Le troisième est lié à l'optique, plus précisément à l'efficacité () et la zone du signal focalisé sur l'affichage du détecteur (). Le dernier terme est lié au temps (t) de fonctionnement et à la fraction de temps pendant laquelle le soleil est suivi (). L'objectif est de maximiser la valeur du facteur de mérite afin d'optimiser la sensibilité de l'expérience aux axions.
Sensibilité et potentiel de physique vignette|Panorama axion-photon IAXO recherchera principalement des axions solaires, ainsi que la possibilité d'observer l'axion de la chromodynamique quantique (QCD) dans la gamme de masse de 1 meV à 1 eV. On s'attend également à ce qu'il soit capable de découvrir des ALP. Par conséquent, IAXO aura le potentiel de résoudre à la fois le problème de la CP forte et celui de la matière noire..
Il pourrait également être adapté ultérieurement pour tester des modèles de photons cachés ou de caméléons. De plus, l'aimant peut être utilisé comme un haloscope pour rechercher de la matière noire axionique.
IAXO aura une sensibilité au couplage axion-photon de 1 à 1,5 ordre de grandeur supérieure à celle obtenue par les détecteurs précédents.
Sources d'axions accessibles à IAXO Toute particule détectée par IAXO sera au moins une composante sous-dominante de la matière noire. L'observatoire serait capable d'observer à partir d'un large éventail de sources, présentées ci-dessous.
Axions solaires. Axions QCD. Axions de matière noire. Axions provenant d'indices astrophysiques tels que le refroidissement anormal des naines blanches et des étoiles à neutrons, les amas globulaires et les étoiles supergéantes alimentées par l'hélium.
IAXO : l'Observatoire International Axion vignette|Conception conceptuelle de International AXion Observatory IAXO sera un hélioscope amélioré de nouvelle génération, avec un rapport signal/bruit cinq ordres de grandeur supérieur à celui des détecteurs actuels. La section transversale de l'aimant équipé d'une optique de focalisation des rayons X est destinée à augmenter ce rapport signal/bruit de fond. Lorsque les axions solaires interagissent avec le champ magnétique, certains d'entre eux peuvent se convertir en photons par effet Primakoff. Ces photons seraient ensuite détectés par les détecteurs de rayons X de l'hélioscope.
L'aimant sera un supraconducteur à grande échelle spécialement conçu, d'une longueur de 20 m et une intensité de champ moyenne de 2,5 Tesla. L'hélioscope complet comportera huit alésages de 60 cm de diamètre. Chaque forage sera équipé d'une optique de focalisation des rayons X et d'un détecteur de rayons X à faible bruit de fond. L'hélioscope sera également équipé d'un système mécanique lui permettant de suivre le soleil de manière constante pendant la moitié de la journée. Les données de suivi seront collectées pendant la journée et les données de fond pendant la nuit, ce qui constitue la répartition idéale entre les données et le bruit de fond pour estimer correctement le taux d'événements dans chaque cas et déterminer le signal axionique.
BabyAXO vignette|Conception conceptuelle de l'hélioscope BabyIAXO BabyIAXO est une version à échelle intermédiaire de l'expérience IAXO, dotée d'un potentiel de découverte d'axions et d'un champ de mesure environ 100 fois plus grand que celui de CAST. Il servira également de prototype technologique de tous les sous-systèmes de l'hélioscope, première étape pour explorer de nouvelles améliorations de l'expérience IAXO finale.
BabyIAXO sera installé dans DESY à Hambourg, en Allemagne, par la collaboration IAXO, avec la participation de DESY et du CERN. La collecte de données par BabyIAXO est prévue pour 2028.
Conception BabyIAXO Bien que la conception soit un processus en cours, la conception conceptuelle de BabyIAXO a été publiée en 2021. Elle consistera en un aimant de 10 m de longueur avec 2 alésages et 2 lignes de détection équipées chacune d'une optique à rayons X et d'un détecteur de rayons X à très faible bruit de fond.
Aimant L'aimant supraconducteur possède une configuration de bobines commune afin de générer un champ magnétique puissant sur un grand volume. Il mesurera 10 mètres de longueur et sera composé de deux bobines parallèles en forme de piste de course, fabriquées à partir d' un câble Rutherford stabilisé en aluminium. Cette configuration générera un champ magnétique de 2,5 teslas dans les deux bobines. des alésages de 1 cm de diamètre situés entre les bobines.
Optique à rayons X Étant donné que BabyIAXO possède deux alésages dans l'aimant, deux optiques à rayons X doivent fonctionner en parallèle. Il s'agit de modèles Wolter (type I). Le signal provenant du trou de 70 cm de diamètre sera focalisé sur une zone de à la surface du détecteur.
L'une des deux optiques BabyIAXO sera composée de deux technologies d'optique à rayons X. La partie interne sera basée sur une technologie éprouvée développée pour le satellite à rayons X NuSTAR de la NASA. La partie externe sera fabriquée en verre affaissé à froid par l'INAF. La distance focale de cette optique sera de 5 m.
La deuxième optique BabyIAXO sera l'un des modules de vol de la mission spatiale XMM-Newton de l'ESA. Sa distance focale est de 7,5 m.
Détecteurs IAXO et BabyIAXO disposeront de plusieurs détecteurs variés fonctionnant en parallèle, montés sur les différents alésages magnétiques. Fort de l'expérience du CAST, la technologie de référence sera une chambre à projection temporelle (TPC) avec un système de lecture MicroMegas. Plusieurs autres technologies sont également à l'étude : GridPix, calorimètres magnétiques métalliques (MMC), détecteurs à dérive au silicium (SDD) et capteurs à bord de transition (TES).
Les détecteurs utilisés pour cette expérience doivent répondre à certaines exigences techniques. Ils doivent présenter une efficacité de détection élevée dans la région d'intérêt (ROI) (1 à 10 keV) où le signal de l'axion Primakoff est attendu. Ils doivent également présenter un très faible bruit de fond radioactif dans la ROI, inférieur à 10 keV. (moins de 3 comptages par an de données). Pour atteindre ce niveau de bruit de fond, le détecteur s'appuie sur :
L’utilisation d’ un blindage passif pour bloquer les rayons gamma environnementaux, généralement du plomb. Utilisation d'un blindage actif pour marquer les événements induits par les rayons cosmiques, constitué de scintillateurs en plastique avec des capteurs de lumière. La radiopureté intrinsèque des matériaux de construction, comme le cuivre ultra-pur, le Kapton ou le Téflon. Les stratégies avancées de discrimination d'événements basées sur des informations topologiques, validées par des simulations.
Références
Voir aussi Articles connexes Télescope solaire Axion du CERN
Liens externes
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