SRON-wetenschappers hebben de potentie aangetoond van Transition Edge Sensors (TES) voor de detectie van axionen. Deze hypothetische deeltjes zijn nog nooit waargenomen, mogelijk vanwege de zwakke signalen die ze produceren. Bewijs voor hun bestaan kan een verklaring opleveren voor de oorsprong van donkere materie.

Axionen zijn hypothetische deeltjes die in de jaren ’70 zijn geïntroduceerd als mogelijk antwoord op verschillende open vragen in de deeltjesfysica en kosmologie. Recenter voeren wetenschappers axionen aan als een aantrekkelijke kandidaat om het bestanddeel te vormen van donkere materie. Volgens de theorie bestaat 85% van alle massa in het heelal uit deze donkere materie, die nog nooit direct is waargenomen omdat het niet volgens de conventionele manier met ‘normale’ materie zou interacteren.

Wetenschappers verwachten dat axionen soms veranderen in röntgenstralen als ze door een sterk magneetveld vliegen. Naar verwachting is onze Zon een van de bronnen die axionen produceren. Een grote magneet binnen een zonnetelescoop zou dan de conversie naar röntgenstraling kunnen verzorgen. Vervolgens is er wel een röntgendetector vereist met een extreem lage achtergrondruis omdat axionen slechts sporadisch hun gedaanteverwisseling ondergaan.

SRON-wetenschappers, onder wie eerste auteur Davide Vaccaro, hebben nu aangetoond dat hun TES in principe een voldoende lage achtergrondruis bereiken. Ze hebben een achtergrond gemeten van minder dan één röntgenfoton per uur voor elke vierkante centimeter aan detector. Dat is nog steeds een factor tweeduizend te hoog voor een effectieve axion-zoektocht, maar ze schatten dat ze de achtergrond kunnen terugbrengen tot het vereiste niveau in verbeterde omstandigheden—betere afscherming tegen daadwerkelijke röntgenbronnen, zoals kosmische straling en natuurlijke radioactiviteit van gebruikte materialen. De bevinding maakt SRON’s TES een geschikte technologie voor de volgende generatie helioscopen.

De resultaten zijn ook relevant in het kader van ESA’s toekomstige Athena röntgenmissie, waarvoor SRON’s TES de back-up detector is. Een lage achtergrondruis is niet alleen een welkome eigenschap voor axionhelioscopen; ook conventionele röntgentelescopen hebben er voordeel van, omdat ze daarmee zwakkere bronnen kunnen waarnemen.

Publicatie

De publicatie is geselecteerd voor de cover van de april-editie van Review of Scientific Instruments.

D . Vaccaro; L. Gottardi; H. Akamatsu; J. van der Kuur; K. Nagayoshi; E. Taralli; M. de Wit; K. Ravensberg; J. R. Gao; J. W. A. den Herder, ‘Background rates of x-ray transition-edge sensor micro-calorimeters under a frequency domain multiplexing readout for solar axion-like particles’ detection’, Review of Scientific Instruments

Fotobijschrift: De cryogene opstelling voor het experiment om de röntgenachtergrond te meten bij -273,1 graden Celsius, nabij het absolute nulpunt. De setup bevat de TES-detectoren en de supergeleidende elektronica die simultaan meerdere detectoren uitleest; 32 in dit geval.