On prévoit que les axions se convertissent en photons en présence d'un champ magnétique intense. C'est pourquoi une équipe coréenne a construit un nouveau laboratoire équipé d'aimants ultra-puissants afin de recréer précisément ce scénario. Le phénomène est observé à l'aide d'un haloscope, lui-même équipé d'un système d'acquisition de données (DAQ) rapide pour capturer, analyser et stocker les résultats.
Au CAPP, le Centre de recherche sur les axions et la physique de précision de l'IBS, l'objectif est de mener diverses expériences au cours de la prochaine décennie afin de confirmer l'existence des axions et, à terme, de déterminer leurs propriétés. Les premiers résultats expérimentaux sont déjà disponibles. L'équipe du CAPP a recherché des axions d'une masse comprise entre 6,62 et 6,82 μeV, correspondant à une fréquence comprise entre 1,6 et 1,65 GHz. La recherche a été menée à l'aide du dispositif CAPP présenté sur la figure 1. Les chercheurs ont démontré expérimentalement, avec un niveau de confiance de 90 % – le résultat le plus précis obtenu à ce jour dans cette gamme de masses – l'absence de matière noire axionique ou de particules de type axionique dans cette gamme.
Un composant essentiel du système d'acquisition de données du laboratoire est une carte de numérisation PCIe de Spectrum Instrumentation, modèle M4i.4470-x8. Les scientifiques ont choisi cette carte car elle permet d'échantillonner simultanément les signaux entrants sur deux canaux, à des fréquences allant jusqu'à 180 MS/s et avec une résolution verticale de 16 bits. De plus, les données collectées peuvent être transmises à un ordinateur via le bus PCIe à un débit supérieur à 3 Go/s. Ainsi, toutes les données peuvent être acquises et envoyées à l'ordinateur central sans aucune perte. La figure 2 présente un schéma fonctionnel du montage expérimental typique.
Le Dr ByeongRok Ko, chercheur au CAPP, explique : « Notre objectif était d’améliorer le facteur de mérite des recherches d’haloscopes à axions, c’est-à-dire la vitesse de balayage. Nous avons d’abord atteint une efficacité d’acquisition de données (DAQ) pratique supérieure à 99 % pour un seul canal, grâce à un processus d’acquisition incluant des transformées de Fourier rapides (FFT) en ligne. Ensuite, à l’aide d’un mélangeur IQ et de deux canaux d’acquisition parallèles, nous avons implémenté un système de rejet d’images par logiciel sans compromettre l’efficacité d’acquisition. Cela représente plus du double de l’efficacité des configurations précédentes, qui reposaient sur un analyseur de spectre conventionnel. »
La suppression des images parasites est importante car les recherches d'haloscopes à axions utilisent généralement un récepteur hétérodyne qui introduit un bruit de fond indésirable. Par conséquent, la suppression des images parasites est essentielle pour maintenir des vitesses de balayage élevées. Dans ce cas, le système d'acquisition de données rapide offre une suppression des images parasites d'environ 35 dB sur une plage de fréquences de 600 à 2200 MHz. « La carte de numérisation Spectrum présente deux caractéristiques clés qui rendent cela possible, et c'est pourquoi nous l'avons choisie », explique le Dr ByeongRok Ko. « Premièrement, la mémoire intégrée de 2 Géch. d'échantillons, qui peut servir de tampon, et deuxièmement, un mode de transfert FIFO via l'interface PCI Express x8 Gen2, qui permet un flux de données continu à des vitesses supérieures à 3 Go/s. »
Un autre défi pour le système d'acquisition de données est le post-traitement des données. Celui-ci comprend la conversion d'unités, la FFT en ligne, le moyennage et l'écriture des spectres de puissance sur disque. La FFT en ligne représente la majeure partie du temps de post-traitement. Dans la plupart des cas, les expériences d'haloscopes à axions nécessitent des données à différentes fréquences de résonance, car la masse de l'axion est inconnue. De plus, pour diverses raisons, les données à chaque fréquence de résonance peuvent être divisées en plusieurs sous-ensembles avec des horodatages différents. Dans ces cas, le post-traitement peut être effectué en parallèle lors de l'acquisition du jeu de données suivant. Heureusement,
les numériseurs Spectrum Instrumentation sont fournis avec des pilotes compatibles avec un large éventail de langages de programmation, dont Python. Le module multiprocessing de Python est idéal pour ce type d'application et a été utilisé pour illustrer le scénario décrit ci-dessus.
Yannis K. Semertzidis, directeur du CAPP et professeur au KAIST (Institut supérieur coréen des sciences et technologies), explique : « Cette expérience n’est pas un sprint de 100 mètres, mais le premier sprint d’un marathon. Nous avons appris par la pratique et testé de nouveaux concepts qui seront utilisés dans des systèmes plus complexes à l’avenir. » L’équipe a démontré qu’elle pouvait atteindre une sensibilité bien supérieure à celle de toutes les expériences précédentes dans la gamme de fréquences ciblée. L’objectif est maintenant d’étendre ces expériences à des systèmes plus grands.
Afin d'accélérer le processus de recherche, l'équipe CAPP mène actuellement plusieurs expériences avec différentes configurations de systèmes.
Cela lui permet de cibler simultanément différentes gammes de masses d'axions. La figure 3 présente une vue d'ensemble de la salle d'expérimentation CAPP et de ses multiples dispositifs expérimentaux. Les lecteurs intéressés peuvent suivre l'avancement des expériences sur le site web de CAPP : https://capp.ibs.re.kr/html/capp_en/.
Un article de recherche décrivant le développement du système d'acquisition de données, ainsi que les différents modes d'acquisition et les résultats des tests, est disponible ici.
