Messtechnik extrem Mit Digitizer-Messkarten auf der Suche nach Dunkler Materie

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Axionen gehören zu denjenigen Teilchen, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte. Forscher wollen mit einem Haloskop und einem Datenerfassungssystem Axionen nachweisen. Dabei spielen starke Magnetfelder eine wichtige Rolle.

Der Dunklen Materie umgibt immer etwas Geheimnisvolles. Erstmals postuliert wurde Dunkle Materie vom Schweizer Astronom Fritz Zwicky im Jahr 1933. Die Theorie legt nahe, dass es im Universum bis zu fünfmal mehr Dunkle Materie als herkömmliche Materie geben könnte. Woraus Dunkle Materie eigentlich besteht, ist noch unbeantwortet. Allerdings haben Wissenschaftler eine Reihe von möglichen Teilchen identifiziert. Einige der vielversprechenden sind Axionen, die möglicherweise nur ein Zehn-Billionstel der Masse eines Elektrons besitzen.

Genau auf diese Teilchen haben es Forscher aus Südkorea am Institute for Basic Science (IBS) abgesehen. Ein Expertenteam soll jetzt die Axionen finden. Die Theorie sagt voraus, dass sich Axionen in Gegenwart eines starken Magnetfelds in Photonen umwandeln. Daher hat das koreanische Team ein großes Labor eingerichtet, in dem superstarke Magnete verwendet werden, um die Axion-Partikel zu finden. Die Bildgebung des Experiments erfolgt mit einem Haloskop, das wiederum ein schnelles Datenerfassungssystem (DAQ) verwendet, um die Ergebnisse der Versuche zu erfassen, zu analysieren und zu speichern.

Experimente sollen Axionen bestätigen

Am CAPP-Institut, dem Zentrum für Axion- und Präzisionsphysikforschung des IBS, wollen die Wissenschaftler mit Experimenten die Existenz von Axionen bestätigen und letztlich ihre Eigenschaften bestimmen. Erste experimentelle Ergebnisse liegen bereits vor. Das Team am CAPP hat nach Axionen mit einer Masse zwischen 6,62 und 6,82 μeV gesucht, die einer Frequenz zwischen 1,6 und 1,65 GHz entsprechen. Die Forscher bewiesen experimentell mit einem Konfidenzniveau von 90 Prozent, dass in diesem Bereich keine Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen existieren.

Signale mit 180 MS/s abtasten und mit 16 Bit erfassen

Eine Schlüsselkomponente des aktuellen Datenerfassungssystems im Labor ist eine PCIe-Digitizerkarte von Spectrum Instrumentation, Modell M4i.4470-x8. Die Wissenschaftler entschieden sich für diese Messkarte, weil sie die eingehenden Signale gleichzeitig auf zwei Kanälen mit 180 MS/s Abtastrate und mit einer Auflösung von 16 Bit erfassen kann. Dabei ist ebenfalls entscheidend, dass der Digitizer die Messdaten mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3 GB/s über den PCIe-Bus an einen Computer streamen kann. Diese große Menge an Daten kontinuierlich weiterzuleiten, ist extrem wichtig für das Experiment.

Dr. ByeongRok Ko, Research Fellow am CAPP, erklärt: „Unser Ziel war es, die Gütezahl bei der Axion-Haloskopsuche zu verbessern, also die Scanrate. Zunächst haben wir eine DAQ-Effizienz von mehr als 99 Prozent für einen einzelnen Kanal realisiert, wobei der DAQ-Prozess die Fast-Fourier-Transformationen (FFTs) umfasst. Dann haben wir mit einem IQ-Mischer und zwei parallelen DAQ-Kanälen eine softwarebasierte Bildunterdrückung implementiert, ohne die DAQ-Effizienz einzubüßen. Im Ergebnis haben wir mehr als die doppelte Effizienz früherer Setups, für die wir konventionelle Spektrumanalysatoren benutzt haben.“

DAQ-System mit Bildunterdrückung von etwa 35 dB

Die Bildunterdrückung ist wichtig, da für die Suche nach Axionen mit einem Haloskop ein Überlagerungs-Empfänger verwendet wird, der aber unerwünschte Bildhintergründe hinzufügt. Daher wird die Bildunterdrückung wesentlich, um eine hohe Abtastrate aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund liefert das DAQ-System eine Bildunterdrückung von etwa 35 dB über einen Frequenzbereich von 600 bis 2200 MHz.

„Wir haben uns unter anderem für die Digitizerkarte von Spectrum entschieden, weil sie zwei wichtige Merkmale für unser Bildunterdrückungssystem liefert“, sagt Dr. ByeongRok Ko. „Erstens der integrierte Speicher von 2 GSamples, der als Puffer verwendet werden kann, und zweitens ein FIFO-Übertragungsmodus über die PCI Express x8 Gen2-Schnittstelle, der das kontinuierliche Daten-Streaming mit Geschwindigkeiten von über 3 GB/s ermöglicht.“

Eine weitere Herausforderung für das DAQ-System ist die Verarbeitung der erfassten Messdaten. Dazu gehören Einheitenkonvertierung, Online-FFT, Mittelwertbildung und das Übertragen der Leistungsspektren in den Speicher. Die Online-FFT dominiert die Nachbearbeitungszeit. In den meisten Fällen erfordern die Haloskop-Experimente, dass Daten für unterschiedliche Resonanzfrequenzen erfasst werden, da die Axion-Masse unbekannt ist.

Außerdem werden aus verschiedenen Gründen die Daten bei jeder Resonanzfrequenz in mehrere Teilmengen mit unterschiedlichen Zeitstempeln aufgeteilt. In solchen Fällen kann die Verarbeitung parallel durchgeführt werden, während die nächsten Daten schon erfasst werden. Die Digitizer von Spectrum Instrumentation werden mit Treibern geliefert, die eine breite Palette von Programmiersprachen unterstützen, darunter auch Python. Das Multiprocessing-Modul von Python ist ideal für die beschriebene Anwendung und wird daher von den Forschern am CAPP verwendet.

Experimente mit vergrößerten Systemen durchführen

Yannis K. Semertzidis, Direktor des CAPP und auch Professor am KAIST (Korea Advanced Institute of Science & Technology), erklärt: „Dieses Experiment ist kein 100-Meter-Sprint, sondern die erste Etappe eines Marathonlaufs. Wir haben dabei viel gelernt und neue Konzepte getestet. Das gewonnene Wissen werden wir für die Weiterentwicklung der Experimente nutzen.“ Das Team hat bewiesen, dass es eine viel höhere Empfindlichkeit erreichen kann als bei allen anderen Experimenten, die vorher für diesen Frequenzbereich durchgeführt wurden. Der Plan ist nun, die Experimente mit vergrößerten Systemen durchzuführen.

Um die Suche nach Axionen zu beschleunigen, führt das Team von CAPP jetzt auch mehrere Experimente mit verschiedenen Versuchsaufbauten parallel durch. Dadurch können unterschiedliche Axion-Massebereiche gleichzeitig untersucht und bearbeitet werden.

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