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.
SRON’s Transition Edge Sensors demonstrate potential as axion detectors
SRON scientists have demonstrated the potential of Transition Edge Sensors (TES) for detecting axions. These hypothetical particles have never been observed, perhaps due to the weak signals they produce. Evidence for their existence could point to the origin of dark matter.
Axions are hypothetical particles originally introduced in the 1970’s as a possible solution to several open questions in particle physics and cosmology. In more recent times, axions were presented as an attractive candidate for dark matter, a form of matter not yet observed directly that doesn’t interact in a conventional way with ordinary matter and should account for about 85% of the total matter in the universe.
Axions are theorized to sometimes convert into X-rays when passing through a strong magnetic field. Our Sun is one of the sources that are expected to produce them. A large magnet inside a telescope could force their conversion into X-rays. However, an X-ray detector with an extremely low particle background is required as axions only rarely convert into X-rays.
SRON scientists, including first author Davide Vaccaro, have now demonstrated that their TES could in principle achieve a low enough particle background. They have measured a background of less than one X-ray photon per hour for each square centimeter of detector. This is still a factor two thousand too high for a real axion-search experiment, but they have estimated that the background could be reduced below the required level under improved conditions. This includes better shielding from actual X-ray sources, such as cosmic rays and natural radioactivity of used materials. The finding makes SRON’s TES a suitable technology for the next generation of helioscopes.
The results are also relevant in the context of SRON’s TES being the back-up detector technology for ESA’s upcoming Athena X-ray space mission. A low particle background is not just a welcome feature for axion helioscopes; also conventional X-ray telescopes benefit from this, as it enables them to observe weaker sources.
Publication
The publication was selected for the cover of the April issue of 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
Image caption: The cryogenic setup used for the X-ray background experiment, at -273.1 degrees Celsius, close to the absolute zero. The setup hosts the X-ray TES detectors, as well as the superconducting electronics that allow for a simultaneous readout of a large number of detectors, up to 32 in this particular case.