Spectrum儀器PC卡助力韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所高效搜索軸子粒子中的暗物質(zhì)

中國(guó)北京，2022年11月2日訊——為了更好地詮釋宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)(如星系)的形成、演化及行為，科學(xué)家預(yù)測(cè)了暗物質(zhì)的存在。事實(shí)上，理論表明宇宙中所包含的暗物質(zhì)數(shù)量可能達(dá)到了普通物質(zhì)的五倍!雖然暗物質(zhì)是由什么構(gòu)成這個(gè)問(wèn)題至今還是一個(gè)謎，但科學(xué)家已經(jīng)確定了一些候選粒子。其中的一些軸子可信度更高，它們可能只有電子質(zhì)量的十萬(wàn)億分之一。為了研究并找到這些軸子，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)組建了一個(gè)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)并在其最新且最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)使用了Spectrum儀器公司所提供的PCIe數(shù)字化儀。

據(jù)預(yù)測(cè)在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，軸子將轉(zhuǎn)化為光子。因此，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)室，使用超強(qiáng)磁鐵來(lái)嘗試和創(chuàng)造這種精確的場(chǎng)景。試想這種現(xiàn)象是使用一個(gè)Haloscope實(shí)現(xiàn)的，隨后通過(guò)一個(gè)快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)捕獲、分析和存儲(chǔ)結(jié)果。

韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所的軸子與精準(zhǔn)物理研究中心(CAPP)計(jì)劃在未來(lái)十年進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)軸子的存在及其屬性。目前，首個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)公布。軸子與精準(zhǔn)物理研究中心已經(jīng)找到了質(zhì)量在6.62 ~ 6.82 μeV之間的軸子，它們對(duì)應(yīng)的頻率在1.6 ~ 1.65 GHz之間。此次搜索使用了CAPP的設(shè)備，如圖1所示。研究人員表明此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的置信水平高達(dá)90%，這也是迄今為止質(zhì)量范圍內(nèi)最為敏感的結(jié)果，即在該范圍內(nèi)不存在軸子暗物質(zhì)或類(lèi)軸子。

圖1:CAPP裝置配有一塊8T的超導(dǎo)磁體。來(lái)自孔的微弱信號(hào)(10?24 W))被放大并通過(guò)帶有HEMT放大器的射頻接收鏈傳輸，隨即進(jìn)行采集、分析和存儲(chǔ)。

Spectrum儀器提供的PCIe數(shù)字化儀卡，即M4i.4470-x8型號(hào)是該實(shí)驗(yàn)室最新數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件?？茖W(xué)家們選擇該設(shè)備的原因是它可以同時(shí)在兩個(gè)通道上對(duì)傳入信號(hào)進(jìn)行采樣，速率高達(dá)180MS/s并具有16位垂直分辨率。更重要的是，收集到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)PCIe總線以超過(guò)3GB/s的速度傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。這意味著所有被獲取的數(shù)據(jù)能夠全數(shù)傳輸至主機(jī)，而不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。圖2為典型的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2:在軸子搜索中，從haloscope發(fā)出的信號(hào)在被DAQ獲取前被放大

CAPP的研究員ByeongRok Ko博士解釋說(shuō)：“我們的目的是提高軸子haloscope搜索的優(yōu)勢(shì)，即掃描速率。首先，我們意識(shí)到單通道的實(shí)際DAQ效率超過(guò)99%，其中DAQ數(shù)據(jù)處理包括在線快速傅里葉變換(FFTs)。然后，我們用一個(gè)IQ混合器和兩個(gè)并行的DAQ通道實(shí)現(xiàn)了基于軟件的圖像抑制，而無(wú)需損失DAQ效率。在最初設(shè)置時(shí)，其效率要比基于傳統(tǒng)頻譜分析儀高兩倍多。”

由于軸子haloscope搜索通常使用外差接收器引入多余的圖像背景，因此圖像抑制對(duì)于保持高掃描速率而言尤為重要。在這種情況下，快速DAQ系統(tǒng)提供約35 dB的圖像抑制，頻率范圍從600到2200兆赫。ByeongRok Ko博士繼續(xù)說(shuō)道：“我們之所以選擇Spectrum數(shù)字化儀卡，是因?yàn)樗鼡碛袃蓚€(gè)重要的功能。首先，高達(dá)2 GSamples的板載內(nèi)存可以用作緩沖區(qū)。其次，通過(guò)PCI Express x8 Gen2接口的FIFO傳輸模式，連續(xù)數(shù)據(jù)流速度可達(dá)到3 GB/s?！?

DAQ系統(tǒng)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)的后期處理。這包括單位轉(zhuǎn)換、在線FFT、平均和將功率譜寫(xiě)入磁盤(pán)存儲(chǔ)。在線FFT在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)間上占主導(dǎo)地位。在大多數(shù)情況下，由于軸子質(zhì)量未知，因此軸子haloscope實(shí)驗(yàn)需要不同共振頻率的數(shù)據(jù)。此外，由于各種原因每個(gè)共振頻率的數(shù)據(jù)可以在不同的時(shí)間戳分為幾個(gè)子集。在這種情況下，科學(xué)家們就可以在獲取下一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)并行處理后期數(shù)據(jù)。值得慶幸的是，Spectrum 儀器所提供的數(shù)字化儀附帶了驅(qū)動(dòng)程序并支持廣泛的編程語(yǔ)言，這其中就包括Python。Python的多處理模塊非常適合這種類(lèi)型的應(yīng)用，也能夠滿足上述使用場(chǎng)景。

CAPP負(fù)責(zé)人兼韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KAIST)教授Yannis K. Semertzidis解釋說(shuō)：“這次實(shí)驗(yàn)不是一場(chǎng)百米沖刺，而是馬拉松開(kāi)啟后的第一個(gè)目標(biāo)。我們?cè)趯?shí)踐中學(xué)習(xí)，并測(cè)試了未來(lái)在更高級(jí)別系統(tǒng)中使用的新概念?！痹搱F(tuán)隊(duì)證明，他們可以達(dá)到比之前在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的所有其他實(shí)驗(yàn)更好的靈敏度。該團(tuán)隊(duì)目前的計(jì)劃是使用更大的系統(tǒng)擴(kuò)大其實(shí)驗(yàn)。

圖3:CAPP實(shí)驗(yàn)大廳可以滿足多個(gè)暗物質(zhì)搜索實(shí)驗(yàn)同時(shí)安裝和運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)室包括七個(gè)用于平行實(shí)驗(yàn)裝置的低振動(dòng)墊，以及幾個(gè)冰箱和超導(dǎo)磁體。

為了加速搜索過(guò)程，CAPP團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在使用多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。這樣就可以同時(shí)瞄準(zhǔn)不同的軸子質(zhì)量范圍。圖3顯示了CAPP實(shí)驗(yàn)大廳的全貌，其中展現(xiàn)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。有興趣的讀者可以在CAPP網(wǎng)站https://capp.ibs.re.kr/html/capp_en/上關(guān)注實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

以下研究論文討論了DAQ系統(tǒng)的發(fā)展，以及各種采集模式和測(cè)試結(jié)果:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/05/P05025/meta