Para ayudar a explicar la formación, la evolución y el comportamiento de las estructuras a gran escala del universo, como las galaxias, los científicos han predicho la existencia de la materia oscura. De hecho, la teoría sugiere que el universo puede contener hasta cinco veces más materia oscura que la materia ordinaria. Aunque la cuestión de lo que constituye la materia oscura sigue sin respuesta, los científicos han identificado una serie de partículas candidatas. Algunas de las más prometedoras son los axiones, que podrían tener sólo una diezmillonésima parte de la masa de un electrón. En Corea del Sur, en el Instituto de Ciencias Básicas (IBS), han reunido un equipo de expertos para estudiar e intentar encontrar axiones. Para los últimos y más avanzados experimentos se ha elegido un rápido digitalizador PCIe de Spectrum Instrumentation. 

Se prevé que los axiones se conviertan en fotones en presencia de un fuerte campo magnético. Por ello, el equipo coreano ha construido un nuevo laboratorio que utiliza imanes superpotentes para intentar crear ese escenario preciso. La obtención de imágenes del fenómeno se realiza mediante un haloscopio, que a su vez utiliza un sistema rápido de adquisición de datos (DAQ) para capturar, analizar y almacenar los resultados.
En el CAPP, el Centro de Investigación de Física de Axión y Precisión del IBS, el plan es llevar a cabo diversos experimentos durante la próxima década para confirmar la existencia de los axiones y, en última instancia, determinar sus propiedades. Los primeros resultados experimentales ya están aquí. El equipo del CAPP ha buscado axiones con una masa de entre 6,62 y 6,82 μeV que corresponden a la frecuencia entre 1,6 y 1,65 GHz. La búsqueda se realizó utilizando el aparato del CAPP que se muestra en la figura 1. Los investigadores demostraron experimentalmente con un nivel de confianza del 90%, que es el resultado más sensible en el rango de masas hasta la fecha, que no hay materia oscura axión o partícula similar al axión dentro de ese rango.
Un componente clave del sistema de adquisición de datos más reciente del laboratorio es una tarjeta digitalizadora PCIe de Spectrum Instrumentation, modelo M4i.4470-x8. Los científicos eligieron esta unidad porque puede muestrear las señales entrantes en dos canales simultáneamente, a velocidades de hasta 180 MS/s y con una resolución vertical de 16 bits. Además, los datos recogidos pueden transmitirse a un ordenador, a través del bus PCIe, a una velocidad de transferencia superior a 3 GB/s. Esto significa que todos los datos pueden adquirirse y enviarse al ordenador central sin que se pierda ninguno. En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques del montaje experimental típico.

El Dr. ByeongRok Ko, investigador del CAPP, explica: "Nuestro objetivo era mejorar la cifra de mérito en las búsquedas de haloscopios de axión, es decir, la velocidad de exploración. En primer lugar, logramos una eficiencia práctica de DAQ superior al 99% para un solo canal, donde el proceso de DAQ incluye las transformadas rápidas de Fourier (FFT) en línea. A continuación, utilizando un mezclador IQ y dos canales DAQ paralelos, implementamos el rechazo de imágenes basado en software sin perder la eficiencia DAQ. Esto supone más del doble de eficiencia que las configuraciones anteriores, que se basaban en el uso de un analizador de espectro convencional".

El rechazo de imágenes es importante, ya que las búsquedas de haloscopios de axión suelen emplear un receptor heterodino que introduce fondos de imagen no deseados. Por ello, el rechazo de imágenes resulta esencial para mantener una alta velocidad de exploración. En este caso, el sistema DAQ rápido proporciona un rechazo de imagen de unos 35 dB, en un rango de frecuencias de 600 a 2200 MHz. "Hay dos características importantes de la tarjeta digitalizadora Spectrum que permiten esto y por eso la elegimos", dice el Dr. ByeongRok Ko. "En primer lugar, la memoria integrada de 2 GSamples, que puede utilizarse como buffer, y en segundo lugar, un modo de transferencia FIFO a través de la interfaz PCI Express x8 Gen2, que permite el flujo continuo de datos a velocidades superiores a 3 GB/s".
Otro reto del sistema DAQ es el postprocesamiento de los datos. Esto incluye la conversión de unidades, la FFT en línea, el promedio y la escritura de los espectros de potencia en el almacenamiento en disco. La FFT en línea domina el tiempo de postprocesamiento. En la mayoría de los casos, los experimentos del haloscopio de axión requieren datos a diferentes frecuencias de resonancia porque la masa del axión es desconocida. Además, por diversas razones, los datos de cada frecuencia de resonancia pueden dividirse en varios subconjuntos con diferentes marcas de tiempo. En estos casos, el posprocesamiento puede realizarse en paralelo mientras se adquieren los siguientes datos. Afortunadamente, los digitalizadores de Spectrum Instrumentation vienen con controladores que soportan una amplia gama de lenguajes de programación, uno de los cuales es Python. El módulo de multiprocesamiento de Python es ideal para este tipo de aplicaciones y se utilizó posteriormente para demostrar el escenario anterior.

Yannis K. Semertzidis, director del CAPP y también profesor del KAIST (Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea), explica: "Este experimento no es un sprint de 100 metros, sino la primera meta de una carrera de maratón. Aprendimos haciéndolo y probamos nuevos conceptos que se utilizarán en sistemas de mayor nivel en el futuro". El equipo demostró que puede alcanzar una sensibilidad mucho mayor que la de todos los demás experimentos realizados anteriormente en el rango de frecuencias objetivo. El plan ahora es ampliar sus experimentos con sistemas más grandes.

Para acelerar el proceso de búsqueda, el equipo del CAPP realiza ahora múltiples experimentos utilizando diversos diseños de sistemas. Esto permite apuntar a diferentes rangos de masa del axión en paralelo. La figura 3 muestra una vista panorámica de la sala de experimentos del CAPP con sus múltiples configuraciones experimentales. Los lectores interesados pueden seguir el progreso experimental en el sitio web del CAPP en https://capp.ibs.re.kr/html/capp_en/
Un documento de investigación que analiza el desarrollo del sistema DAQ, junto con los distintos modos de adquisición y los resultados de las pruebas, está disponible aquí