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Dark matter axion search using novel RF resonant cavity geometries in the CAST experiment
Sergio Arguedas Cuendis
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Eberhard Widmann
DOI
10.25365/thesis.70391
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11206.58926.274725-6
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Axion ist ein hypothetisches Elementarteilchen, das aus dem Peccei-Quinn-Mechanismus entsteht und eingeführt wurde, um das starke CP-Problem des Standardmodells zu lösen. Seine Eigenschaften machen es auch zu einem perfekten Kandidaten für kalte Dunkle Materie. Eine Methode nach Axionen zu suchen, ist die Messung ihrer Umwandlung in ein Photon in Anwesenheit eines starken Magnetfeldes. Die Leistung des Photonensignals kanndurch einen Hohlraumresonator, der bei der richtigen Frequenz mitschwingt, verstärkt werden.Das Axion ist ein hypothetisches Elementarteilchen, das aus dem Peccei-Quinn-Mechanismusentsteht und eingeführt wurde, um das starke CP-Problem des Standardmodells zu lösen. Seine Eigenschaften machen es auch zu einem perfekten Kandidaten für kalte Dunkle Materie. Eine Methode nach Axionen zu suchen, ist die Messung ihrer Umwandlung in ein Photon in Anwesenheit eines starken Magnetfeldes. Die Leistung des Photonensignals kanndurch einen Hohlraumresonator, der bei der richtigen Frequenz mitschwingt, verstärkt werden.
Die RADES-Gruppe (Relic Axions Detector Exploratory Setup) ist ein Teil der CERN Axion Solar Telescope (CAST)-Kollaboration und verwendet Hohlraumresonatoren, die durch Iris miteinander verbunden sind. Damit wird es nach Axionen im Frequenzbereich von 8-9 GHz gesucht. Die Hohlraumresonatoren befinden sich innerhalb des Magnetfeldes des CAST-Magneten bei einer Temperatur von 2 K. Unter Verwendung eines neuen Designs der Geometrie des Hohlraumresonators innerhalb der 9 m langen Bohrung des CAST-Magnetenplant die RADES-Gruppe einen großvolumigen Hohlraumresonator zu erstellen, der zwischen 8 und 9 GHz mitschwingt. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass dieser Massenbereich schlecht erforscht ist und die Empfindlichkeit für das Axion-Signal proportional zum Hohlraumvolumen ist.
Das Design, die Inbetriebnahme und die Datenanalyse mit dem ersten Prototyp, der aus 5 Sub-Hohlraumresonatoren besteht, die durch induktive Iris verbunden sind, wird in dieserArbeit beschrieben. Die Ergebnisse der ersten Datenaufnahme liefern eine Ausschlussgrenze für die Axion-Photon-Kopplungskonstante von gaγ > 4×10−13GeV−1über einen Axion-Massenbereich von 34.6738μeV < ma < 34.6771μeV, welche eine Verbesserung der bisherigen Grenzen entsprechen. Die vorherigen Grenzen stammen aus der Suche nach dem solaren Axion und sind eine der empfindlichsten Grenzen oberhalb von 25μeV.
Ein neues Design, das sich für den Bau längerer Hohlraumresonatoren eignet, und dieersten Ergebnisse seiner Charakterisierung werden genauso wie die Zukunftsaussichten des RADES-Experiments vorgestellt.
Abstract
(Englisch)
The axion is a hypothetical elementary particle resulting from the Peccei-Quinn mechanism,which was introduced to solve the strong Charge-Parity problem of the Standard model. Its properties also make the axion a perfect cold dark matter candidate. A way to searchfor axions is by their conversion into a photon in the presence of a strong magnetic field, the power of the photon signal can be enhanced using a cavity resonating at the correct frequency.
The Relic Axions Detector Exploratory Setup (RADES) group is part of the CERN Axion Solar Telescope (CAST) collaboration and employs cavities joined together by irises to search for axions in the 8-9 GHz frequency range. The cavities are placed inside of the 8.8 T magnetic field of the CAST magnet at a temperature of 2 K. Taking advantage ofa cavity geometry design and the 9 m long bore of the CAST magnet, the RADES group plans to construct a large volume cavity resonating between 8 and 9 GHz, exploiting the fact that this mass range is poorly explored and the sensitivity to the axion signal is linearly proportional to the cavity volume.
The design, commissioning and data analysis using a prototype consisting of 5 sub-cavitiesj oined by inductive irises are presented. The results of the first data-taking run provide an exclusion limit for the axion-photon coupling constant of gaγ > 4×10−13GeV−1 over anaxion mass range of 34.6738μeV < ma < 34.6771μeV, improving the previous best limit at this mass range coming from solar axion searches and yielding one of the most sensitivelimits above 25μeV.
A new cavity design that is suited for the construction of longer cavities and the first results of its characterization are also presented together with the prospects of the RADES experiment.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Dark Matter Axion RF-cavity RADES CAST
Schlagwörter
(Deutsch)
Dunkle Materie Axion RF-Hohlraumresonator RADES CAST
Autor*innen
Sergio Arguedas Cuendis
Haupttitel (Englisch)
Dark matter axion search using novel RF resonant cavity geometries in the CAST experiment
Paralleltitel (Deutsch)
Suche nach Dunkle Materie Axion mit neuartigen RF-Hohlraumresonator-Geometrien im CAST-Experiment
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
v, 111 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Caterina Braggio ,
Béla Majorovits
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.56 Elementarteilchenphysik
AC Nummer
AC16482301
Utheses ID
60489
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |