AXIOMA e QUAX
Staff
F. A. Borghesani, C. Braggio, G. Carugno, A. Ortolan (INFN-LNL), G. Ruoso (INFN- LNL)
Borsisti
F. Chiossi, N. Crescini
Attività di ricerca
Un candidato di materia oscura ben motivato dal punto di vista teorico è l'assione di QCD, e nei laboratori terrestri sono stati messi a punto esperimenti ad elevata sensibilità per la sua rivelazione, che sfruttano deboli interazioni di natura non gravitazionale con particelle previste dal modello standard (fotoni e fermioni).
Nei modelli teorici l'assione emerge come un campo campo oscillante classico e nel nostri esperimenti ne investighiamo l'interazione con lo spin elettronico. Diversamente da esperimenti dedicati alla rivelazione di WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), cerchiamo quindi effetti coerenti associati al campo locale di materia oscura.
Nell'esperimento QUAX (Quest for AXions) il segnale per la rivelazione diretta è fornito da oscillazioni della magnetizzazione (magnoni) di un campione ferrimagnetico immerso in un campo magnetico statico. Tale campo determina la frequenza dell'interazione risonante con l'assione, in analogia a quanto avviene in esperimenti di risonanza parametrica dell'elettrone. Allo scopo di aumentare la sensibilità del rivelatore, l'esperimento viene condotto nei regimi di cavity-QED e di forte accoppiamento tra i modi del materiale e quelli di cavità. Un'ulteriore sfida in questo tipo di esperimenti è posta nello sviluppo di un ricevitore in grado di rivelare potenze equivalenti dell'ordine di 10^{-26} W in cavità a microonde, una strada percorribile attraverso lo sviluppo di un contatori di singolo fotone alle microonde.
Per approfondimenti:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212686417300031
L'esperimento AXIOMA si basa anch'esso sull'interazione tra l'assione e lo spin elettronico. In questo caso la rivelazione avviene attraverso uno schema interamente ottico, in cui l'assione induce transizioni tra livelli Zeeman in specie atomiche.
Lo schema previsto coinvolge transizioni tra livelli atomici di ioni trivalenti di terre rare, che sono introdotte come droganti in cristalli organici.
Le proprietà di tali materiali vengono studiate a temperature ultra criogeniche attraverso misure di fluorescenza indotta da laser [1] e misure di cathodo- e radio-luminescenza [2-4]. Il progetto AXIOMA è mirato a mettere a punto nuove tecniche di nella rivelazione di particelle che permettano basse soglie energetiche per studi di dark matter leggera.
1. http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4935151
2. https://arxiv.org/pdf/1612.05507.pdf
3. https://arxiv.org/pdf/1702.08386.pdf
4. https://arxiv.org/pdf/1703.10880.pdf
Lo spazio dei parametri che è possibile sondare con entrambi gli esperimenti permette di porre limiti astrofisici in un intervallo non coperto da altri esperimenti.
Research Activity
A well motivated dark matter (DM) candidate is the QCD axion, and high sensitivity Earth-based experiments are conceived for its detection via extremely weak, non-gravitational interactions with standard model particles (photons and fermions).
Axion dark matter may be thought of as a background, classical oscillating field and in our experiments we exploit its interaction with the electron spin.
Therefore instead of searching for scattering events of a single dark matter particle as in WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) experiments, we search for the coherent effects of the entire classical dark matter field.
In the QUAX (QUest for AXions) experiment the signal for the direct detection is given by oscillations of the magnetization (magnons) of a ferrimagnetic sample in a strong magnetic field.
The static field determines the resonant interaction of the axions at the Larmor frequency as in electron paramagnetic resonance experiments.
To maximize the detection sensitivity, we conduct the experiment in the microwave cavity-QED and strong coupling regimes, with hybridization of the magnon (material) and photon (cavity) modes.
Detection of an equivalent power in the order of 10^{-26} W in microwave cavities is extremely challenging, and the development of a single photon detector is also devised to evade the quantum limit in low noise linear amplifiers.
For a detailed description see:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212686417300031
The AXIOMA experiment is based on the interaction of axions with the electron spin in optical crystals.
In this case the detection is accomplished by means of an all-optical scheme, whereby the axion causes transitions between Zeeman-split levels of suitable atomic species.
The devised detection scheme [1] involves transitions within the 4f shell between the atomic levels of trivalent rare earth ions regularly embedded in a transparent solid (inorganic crystals such as YLF, YAG, KPC, KPB, ...), and proper materials are selected by investigating their properties at ultracryogenic temperatures by laser-induced fluorescence studies [1], cathodo- and radio-luminescence measurements [2-4].
The AXIOMA detector may pave the way to develop new detector technologies with lowered recoil energy thresholds to probe low-mass dark matter.
References:
1. http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4935151
2. https://arxiv.org/pdf/1612.05507.pdf
3. https://arxiv.org/pdf/1702.08386.pdf
4. https://arxiv.org/pdf/1703.10880.pdf
The parameter space probed by both these techniques is well beyond current astrophysical limits and significantly extends laboratory probes.
