アクシオン検出の革命: Moku が DESY の ALPS 研究をどのように推進しているか

イントロダクション

ALPS（Any Light Particle Search）は、ハンブルクに拠点を置く世界的に有名な基礎科学研究機関であり、ドイツ最大の加速器センターであるドイツ電子シンクロトロン（DESY）の研究グループです（図1）。この機関のモットーである「物質の解読」に従い、ポスドク研究員が トッド・コズロウスキー は、宇宙の暗黒物質などの物理現象をより深く理解するためのアクシオン検出プロジェクトに取り組んでいます。トッドと、アクセル・リンドナー率いるALPS研究グループの他のメンバーは、赤外線干渉法と極微弱信号のヘテロダイン検知を使用して、粒子物理学の一般的なモデルを拡張し、宇宙を説明する新しい光粒子を含む理論を開発しています。「壁を通して光を当てる」というミッション目標を掲げるこのグループは、弱く相互作用するサブeV粒子（WISP）と呼ばれる粒子、より具体的にはアクシオンを検出することを目指しています。レーザー光は壁で止められますが、アクシオンは通り抜けることができます。 4つ使って Moku:Lab デバイスと XNUMX 台 Moku:Pro トッドと彼のチームは、研究目標に向かって驚くべき進歩を遂げました。 Moku:Lab および Moku:Pro は、15 以上のテスト機器を提供するオールインワンの FPGA ベースのデバイスで、 オシロスコープ (NAIST) と スペクトラムアナライザ、のような強力な光学機器まで、 ロックインアンプ (NAIST) と レーザーロックボックス.

課題

トッドの研究グループは、非常に高いユニティゲイン周波数と極めて狭い線幅を持つ光共振器にレーザーを周波数安定化させようと試みている。実際、この共振器は世界中のどの光共振器よりも線幅が狭く、ロックオンが非常に困難である（図2）。多くの光学研究者と同様に、研究チームはアナログシステムを手作業で構築したが、すぐに実験の柔軟性要件を満たせないことに気づいた。さらに、研究チームは、共振器の反射にビート音として刻まれたアクシオンから再生された光子の信号を探している。これらの場は非常に弱く、そのパワーは1日に測定される光子1個分に相当する。さらに、光の粒子がアクシオンに変換される確率はわずか10¹⁴分の1であるため、研究チームは貴重なデータを1つたりとも失うわけにはいかない。

ソリューション

トッドと彼のチームはすぐに、Moku が単なる直感的なユーザー インターフェイス以上のものであることに気づきました。最先端の科学を加速するための高性能機器一式を提供するプロフェッショナル グレードのソリューションです。アナログ エレクトロニクスを Moku に置き換えることで、チームは柔軟性が向上し、設計を迅速に反復する能力が向上し、データ ロギングが合理化され、ソフトウェア定義の機器の採用に関するあらゆる躊躇がすぐに解消されました。実験との統合が容易なだけでなく、 モク 同社は、カスタム設計された科学グレードのアナログ機器の精度を箱から出してすぐに実現することができました。 ロックインアンプ, デジタルフィルターボックス, レーザーロックボックスなど（図3）。 に切り替えることによって Moku:Lab (NAIST) と Moku:Pro研究者たちは、レーザー周波数をキャビティに瞬時にロックすることができた。 パウンド・ドレーヴァー・ホール（PDH）法事実上システムを置き換えて、チームがさらに最適化する時間を確保しました。トッドのチームは、レーザー周波数を光共振器にロックするだけでなく、非常に微弱な信号も検出する必要があったため、ロックインアンプを探す際に再びモクの機器に目を向けました。「このデータを取得するのにこれ以上良い方法を想像できたかどうかわかりません」とトッドは言いました。「モクは当然の選択でした。」 2台のモクのデバイスがスペクトラムアナライザ機器を使用してセットアップの位相ロックを監視し、μVレベルまで信号を分析して、すべてのレーザーが互いに追従する「ロック」状態が維持されるようにします。ここから、さらに2台のモクのデバイスがロックインアンプ機器を操作して、ヘテロダイン干渉法を使用して、一部の電圧がサブnV範囲の信号を読み取ります。

結果

トッドと彼のチームは、4 つの光のフィールド (XNUMX つは強いフィールド、もう XNUMX つは非常に弱いフィールド) の間で信じられないほど弱いビート ノート信号を生成できます。それらの干渉によって生じる小さなビートノートは光検出器に入射し、Moku:Lab ロックインアンプによって測定されます (図 XNUMX)。このソリューションは、予想される発生頻度で信号を復調し、トッドがヘテロダイン混合の弱い磁場から数時間にわたって単一光子のオーダーに至るまで非常に低い信号レートを解決できるようにします。これらの信号は、何時間ものデータロギングが完了するまで解決されません。このデータはすべて、ロックインアンプに組み込まれたデータロガー機器で取得されるため、信頼性の高い信号情報を SD カードに記録するための追加の高価な機器が不要になります。データロギング。 研究者たちは、実験アーキテクチャに小さな変更があり、位相同期ループ (PLL) が必要になった場合など、予期せぬ課題を解決するために Moku:Pro を使用することができました。彼らは、PLL として Moku:Pro をオンザフライで迅速に実装し、要件の変更による障害を回避することができました。「かなり早く解決策が必要でした」と Todd 氏は言います。「Moku:Pro を導入し、クリーンルームに持ち込んでからループが動作するまで、数時間でした。」Moku:Pro を使用すると、チームはマルチ機器モードでレーザー ロック ボックスとスペクトラム アナライザー機器を使用して、ロックを維持しながら目的のビート ノートを簡単に分析できます。

結論

研究を進めるために、トッドと彼のチームは、柔軟性があり、複数のアプリケーションに対応し、クロックの安定性、アナログ-デジタル変換器（ADC）ノイズ、デジタル-アナログ変換器（DAC）ノイズに関する仕様要件を満たすテスト装置を必要としていました。Mokuプラットフォームはこれらの要件をすべて満たし、チームが信号を監視し、データをログに記録し、物理学における最大の測定課題のいくつかを克服するための新しい方法を提供する重要な計測機器を提供しました。チームは、実験でMokuデバイスを使い続ける予定です。現在、APIを介してデバイスを制御する計画に取り組んでいます。これまでに、完全にリモート制御され、測定とデータストリーミングを行う6つのMokuデバイスを統合しました。これは、DESYのグローバル制御システムを使用してMoku Python API（図5）を介して6つのMokuデバイスと5つの異なる計測機器を制御することによって実現しました。 DESY での Todd と彼のチームの研究について詳しく知りたい場合は、ここをクリックしてください。 こちらご質問がありますか？お気軽にお問い合わせください。 こちら.

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