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高分辨率数字化仪有助于寻找暗物质

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2022-11-09 17:56:00

为了帮助解释宇宙中星系等大尺度结构的形成、演化和行为,科学家们预测了暗物质的存在。事实上,理论表明,宇宙实际上可能包含比普通物质多五倍的暗物质!虽然暗物质的实际构成问题仍未得到解答,但科学家们已经确定了许多候选粒子。一些更有希望的是轴子,可能只是电子质量的十万亿分之一。在韩国的基础科学研究所(IBS),他们组建了一个专家小组来研究并试图寻找轴子Spectrum Instrumentation的快速PCIe数字化仪被选为最新和最先进的实验


据预测,轴子将在强磁场存在下转化为光子。因此,韩国团队建立了一个新的实验室,使用超强磁铁来尝试创建精确的场景。使用光环镜对现象进行成像,而光环镜又使用快速数据采集系统(DAQ)来捕获,分析和存储结果。

在IBS轴向和精密物理研究中心CAPP,计划在未来十年内进行各种实验,以确认轴子的存在并最终确定其性质。第一个实验结果已经出来了。CAPP的团队已经搜索了质量在6.62和6.82μeV之间的轴子,对应于1.6和1.65GHz之间的频率。使用上图所示的CAPP设备进行搜索。研究人员以90%的置信水平通过实验表明,这是迄今为止质量范围内最敏感的结果,在该范围内没有轴子暗物质或轴子状粒子。

实验室最近实施的数据采集系统的一个关键组件是型号为M4i.4470-x8的频谱仪器PCIe数字化仪卡。科学家们选择了这个单元,因为它可以同时对两个通道上的输入信号进行采样,速率高达180 MS / s,垂直分辨率为16位。重要的是,收集的数据可以通过 PCIe 总线以超过 3 GB/s 的传输速度流式传输到计算机。这意味着可以获取所有数据并将其发送到主机,而不会丢失任何数据。右侧显示了典型实验设置的框图。


CAPP研究员ByeongRok Ko博士解释说:“我们的目标是提高轴子光环镜搜索的品质因数,即扫描速率。首先,我们 实现 单 通道 的 实际 DAQ 效率 超过 99%, 其中 DAQ 过程包括在线快速傅里叶变换 (FFT)。然后,使用IQ混频器和两个并行的DAQ 通道, 我们实现了基于软件的图像抑制, 而不会损失 DAQ 效率。这是早期设置效率的两倍多,早期设置基于使用传统频谱分析仪。

图像抑制很重要,因为轴子光环镜搜索通常使用外差接收器,这会引入不需要的图像背景。因此,镜像抑制对于保持高扫描速率至关重要。在这种情况下,快速DAQ系统在600至2200 MHz的频率范围内提供约35 dB的镜像抑制。 “Spectrum数字化仪卡有两个重要功能可以实现这一点,这就是我们选择它的原因,”ByeongRok Ko博士说。“首先,2 GSamples的板载内存可用作缓冲区,其次,通过PCI Express x8 Gen2接口的FIFO传输模式,允许以大于3GB/s的速度连续数据流。

DAQ 系统的另一 挑战是数据的后处理。这包括单位转换、在线 FFT、平均以及将功率谱写入磁盘存储。在线FFT主导了后处理时间。在大多数情况下,轴子光环仪实验需要不同共振频率的数据,因为轴子质量未知。此外,由于各种原因,每个谐振频率的数据可以在不同的时间戳下分为几个子集。在这种情况下,可以在采集下一个数据时并行执行后处理。幸运的是,Spectrum Instrumentation数字化仪带有支持各种编程语言的驱动程序,其中之一是Python。Python 的多处理模块非常适合这种类型的应用程序,随后用于演示上述场景。

CAPP主任兼KAIST(韩国科学技术高级研究所)教授Yannis K. Semertzidis解释说:“这个实验不是100米短跑,而是马拉松跑步的第一个目标。我们在实践中学习,并测试了未来在更高级别的系统中使用的新概念。该团队证明,他们可以达到比以前在目标频率范围内进行的所有其他实验更好的灵敏度。现在的计划是用更大的系统扩大他们的实验

为了加快搜索过程,CAPP 的团队现在使用各种系统设计进行多个实验。这允许并行针对不同的轴子质量范围。图 3 显示了 CAPP 实验大厅及其多个实验装置的全景图。有兴趣的读者可以在CAPP网站上关注实验进展。

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