製品
オックスフォード・インストゥルメンツー事業部ページ
Sheffield大学のEd Daw教授に素粒子アクシオン、希釈冷凍機及び新しいトレーニングの機会についてお話を伺いました。
宇宙最大の謎のひとつを解き明かそうと、Sheffield大学のEd Daw教授が暗黒物質についての理解を深めるプロジェクトを率いています。 科学技術施設評議会（STFC）の資金提供を受けたQSHS（Quantum Sensors for the Hidden Sector）共同研究は、従来のダークマター理論の枠を超え、隠れたセクターの粒子を探求しています。
絶対零度より100分の1℃高い温度で実験を行うため、STFCは3月オックスフォード・インストゥルメンツのProteoxMX希釈冷凍機の購入資金を同大学に提供しました。今回は、導入されたProteoxによって可能になるアクシオンの探索から量子エレクトロニクス・デバイスの性能と特性の精密測定ついてEdに話を伺いました。
University College London、Oxford大学、 Lancaster大学、Royal Holloway大学、国立物理学研究所の共同研究者とともに、英国における隠れたセクターの粒子や隠れたセクターの暗黒物質の新しい探索活動を行うことを目指しています。
銀河の質量分布を支配し、宇宙論の理解に重要な役割を果たしている暗黒物質の性質を特定することは、現代物理学の中心的な未解決問題です。 過去30年以上にわたって、弱く相互作用する暗黒物質（WIMP）に注目が集まってきましたが、小さいながらも活発なコミュニティが、世界で最も感度の高い電子機器を使って「隠れたセクター」の粒子を探索してきました。
アクシオン暗黒物質実験（ADMX）とは、暗黒物質の謎を解き明かす可能性のあるアクシオンと呼ばれる理論粒子を探すために、アメリカとイギリスの10の研究機関から科学者が集まった実験です。
基本的に、私たちは宇宙に浸透している暗黒物質かもしれないアクシオンを探しています。暗黒物質はその質量から銀河に集中する傾向があり、もしアクシオンが暗黒物質の答えだとすれば、銀河形成に一役買っていることになります。アクシオンはどこにでも存在するので、地下深くに行く必要はなく、研究室で検出器を作ることができます。
アクシオンは大昔の相転移で生成されたものであり、他の粒子とほとんど相互作用しないため、寿命は非常に長く、宇宙の年齢よりも長いのです。そのため、アクシオンはまだ崩壊していないダークマターの良い候補となります。
私たちの検出器は、Pierre Sikivieが開発したコンセプトに基づいており、共振電磁構造（金属キャビティ）を利用しています。 この空洞は基本的に空の箱で、極低温まで冷却されます。空洞の内部には、箱の共振周波数を調整する可動式の金属エレメントがあり、ここでの共振は、伸ばした弦がその長さ、張力、密度に基づいて特定の周波数で振動するのと同様の働きをします。
空洞共振器の周波数が適切であれば、空洞はアクシオンと共鳴し、アクシオンが電磁波に変換されます。この共鳴は、アクシオン-光子変換を引き起こす強い磁場でのみ起こります。しかし、アクシオンの正確な質量がわからないため、未知のアクシオンの質量に合わせて空洞の周波数を調整し、実験を「調整」しなければなりません。
私たちが探している信号は極めて微弱で、10ヨクトワット（10-23ワット）のオーダーです。 このような微弱な信号を検出するためには、ノイズを最小限に抑える必要があります。そのため、希釈冷凍機を使用して超低温環境を作り出し、検出器の壁で荷電粒子の動きを抑え、バックグラウンドノイズを管理可能なレベルまで下げています。
まとめると、アクシオンを探すには強力な磁場と非常に低温な環境が必要だということです。 オックスフォードの装置のユニークなセールスポイントで私たちが Proteox システムに魅力を感じた理由は、マグネットの専門家と冷蔵庫の専門家が同じ建物内にいることです。
The Sheffield Ultra Low Temperature facility opening earlier this year
アクシオンの検出における大きな課題のひとつは、チューニングのプロセスです。微弱な電波にチューニングを合わせるように、非常にゆっくりと行わなければなりません。私が子供の頃、父の短波ラジオで無名の局を探そうとしたことがあるが、それと同じような体験です。ダイヤルを非常にゆっくり動かして、最もかすかな信号に耳を傾けるのです。このため、実験には長い時間がかかりますが、それをスピードアップしようと現在も研究開発が進められています。最終的には、冷凍機の中で物理的なチューニング・ロッド・エレメントを動かすのではなく、外部の電子機器を使ってチューニングする斬新で面白い共振器を使いたいと思っていますが、それは今後の研究課題です。
もうひとつの課題は、極低温でキャビティを物理的に調整することです。極低温冷凍機内で機器を動かすのはとても厄介です。 私たちの最善の努力にもかかわらず、いずれにせよ予測可能な故障が起こります。理論物理学について高度に知的な議論をしていると、物が動かなくなるといったありふれた問題に行き着くことがよくあります。
また、電子機器の問題にも直面しています。 超微小な信号を検出するには増幅する必要がありますが、エレクトロニクス自体がノイズを発生する場合があります。そのため、可能な限りノイズの少ないエレクトロニクスが必要で、それは多くの場合、国立研究所や大企業、大学によって開発されています。私たちの実験に資金を提供しているプログラムの重要な目標は、英国のエンジニアや物理学者に、使用可能なハイテク・デバイスの開発を奨励することでもあります。
その通りです。増幅器のような量子エレクトロニクス・デバイスの研究とダークマターの探索とのつながりは、ノイズを減らすことにあります。 アクシオンを探すときは、混雑したバーでささやき声を聞こうとするようなもので、背景には多くのノイズがあります。そのノイズの一部は、実験で使う空洞共振器の物理的な温度が起源であるため、温度は低ければ低いほどノイズは小さくなります。もうひとつは、増幅器自体から発生するノイズで、これは 「ノイズ温度 」という言葉で表されます。
アクシオンを検出する可能性を高めるには、ノイズ温度ができるだけ低い増幅器が必要です。 我々が研究している進行波パラメトリック増幅器やマイクロ波 SQUID 増幅器（SLUGと呼ばれる）などの量子エレクトロニクス・デバイスは、このノイズを最小限に抑えるように設計されています。また、Peter Leek が率いる Oxford 大学のグループとも共同研究を行っており、彼のチームは、アクシオン検出器として導波管やキャビティに埋め込めそうな量子ビット・アレイを開発しています。
私たちは、デバイスを開発するために、他にもいくつかの共同研究を行っています。 例えば、Lancaster 大学の Yuri Pashkin 教授と Ed Laird 教授、Oxford 大学の Boon Kok Tan 教授と Stafford Withington 教授、国立物理研究所と London 学の Ling Hao 教授と Ed Romans 教授、Royal Holloway 大学のスーパーファブ施設を運営する Phil Meeson 教授などです。 これらのグループはそれぞれ、アクシオン探索のための異なる低ノイズ読み出し候補の設計を開発しており、それらの設計は Sheffield の Proteox 冷凍機とマグネットを用いて実地試験される予定です。
私たちのアクシオン研究と量子コンピューティングの間には明確なつながりがあります。両分野とも共振器と結合した高感度検出器を扱っており、ノイズの背景となる課題が似ているからです。 いずれの研究もまだ始まったばかりです。
私たちの研究室は、UK北東部で唯一の無冷媒希釈冷凍機を備えており、学部生と博士課程の学生の両方にユニークな機会を提供しています。 私たちの研究室には、多様なバックグラウンドを持つ学生が集まっています。 例えば、博士課程の学生の一人は、家族で初めて大学に進学てきました。 また、ある学生は、社会的地位の低い学生を対象とした特別奨学金を受けていますが、すでに卓越したハードウェア・スキルを持っており、他の分野でも急速に専門性を高めています。
また、特に電子工学の関連プロジェクトに取り組む学部生も何人か在籍しました。 例えば、電子工学の最先端である FPGA（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）のプログラミングを学生に教えています。 このような実地体験は学生を興奮させるだけでなく、雇用主にも大いに関連する貴重なスキルを身につけさせることができます。 これは、国家競争力を育成し、若者にハイテク技術を身につけさせるという政府の目標に沿ったものです。
Sheffield にこのレベルのハイテク研究がもたらされることは、とてもエキサイティングなことです。 Sheffield は伝統的に Oxford や Cambridge 、 London のようなハイテクハブとして知られているわけではありませんが、私たちはエレクトロニクスやクライオジェニックスなどの分野で専門性を高めることで、その状況を変えようとしています。 また、Sheffield はすでに他の量子テクノロジーでも強みを発揮していますが、私たちはこのラボでハイテク研究の範囲を広げようとしています。
装置メーカーとして、量子ビットと量子センサーの開発という重なり合う二重の軌道をお話し頂いて本当にエキサイティングです。私たちのProteox希釈冷凍機は、量子技術と暗黒物質探索の両方でお客様の研究に貢献でき、大変ありがたく思います。
Proteoxが暗黒物質検出実験に理想的である理由のひとつは、オックスフォード・インストゥルメンツが極低温とマグネットに関する専門知識を兼ね備えていることであり、統合された製品をサポートするために肩を並べて協力しています。ful integrations.
Proteoxの詳細についてはこちらをご覧ください。
さらに詳細は以下をご参照ください。
© オックスフォード・インストゥルメンツ 2024