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

　　中國北京，2022年11月2日訊——為了更好地詮釋宇宙中大尺度結構(如星系)的形成、演化及行為，科學家預測了暗物質(zhì)的存在。事實上，理論表明宇宙中所包含的暗物質(zhì)數(shù)量可能達到了普通物質(zhì)的五倍!雖然暗物質(zhì)是由什么構成這個問題至今還是一個謎，但科學家已經(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)量的十萬億分之一。為了研究并找到這些軸子，韓國基礎科學研究所(IBS)組建了一個專家團隊并在其最新且最先進的實驗使用了Spectrum儀器公司所提供的PCIe數(shù)字化儀。

　　據(jù)預測在強磁場的作用下，軸子將轉(zhuǎn)化為光子。因此，韓國團隊建立了一個全新的實驗室，使用超強磁鐵來嘗試和創(chuàng)造這種精確的場景。試想這種現(xiàn)象是使用一個Haloscope實現(xiàn)的，隨后通過一個快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)捕獲、分析和存儲結果。

　　韓國基礎科學研究所的軸子與精準物理研究中心(CAPP)計劃在未來十年進行多項實驗，以確認軸子的存在及其屬性。目前，首個實驗的結果已經(jīng)公布。軸子與精準物理研究中心已經(jīng)找到了質(zhì)量在6.62 ~ 6.82 μeV之間的軸子，它們對應的頻率在1.6 ~ 1.65 GHz之間。此次搜索使用了CAPP的設備，如圖1所示。研究人員表明此項實驗的置信水平高達90%，這也是迄今為止質(zhì)量范圍內(nèi)最為敏感的結果，即在該范圍內(nèi)不存在軸子暗物質(zhì)或類軸子。

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

　　Spectrum儀器提供的PCIe數(shù)字化儀卡，即M4i.4470-x8型號是該實驗室最新數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個關鍵組件。科學家們選擇該設備的原因是它可以同時在兩個通道上對傳入信號進行采樣，速率高達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PCIe總線以超過3GB/s的速度傳輸?shù)接嬎銠C。這意味著所有被獲取的數(shù)據(jù)能夠全數(shù)傳輸至主機，而不會丟失任何數(shù)據(jù)。圖2為典型的實驗裝置示意圖。

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

　　CAPP的研究員ByeongRok Ko博士解釋說：“我們的目的是提高軸子haloscope搜索的優(yōu)勢，即掃描速率。首先，我們意識到單通道的實際DAQ效率超過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IQ混合器和兩個并行的DAQ通道實現(xiàn)了基于軟件的圖像抑制，而無需損失DAQ效率。在最初設置時，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)說道：“我們之所以選擇Spectrum數(shù)字化儀卡，是因為它擁有兩個重要的功能。首先，高達2 GSamples的板載內(nèi)存可以用作緩沖區(qū)。其次，通過PCI Express x8 Gen2接口的FIFO傳輸模式，連續(xù)數(shù)據(jù)流速度可達到3 GB/s。”

　　DAQ系統(tǒng)面臨的另一個挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)的后期處理。這包括單位轉(zhuǎn)換、在線FFT、平均和將功率譜寫入磁盤存儲。在線FFT在后期數(shù)據(jù)處理時間上占主導地位。在大多數(shù)情況下，由于軸子質(zhì)量未知，因此軸子haloscope實驗需要不同共振頻率的數(shù)據(jù)。此外，由于各種原因每個共振頻率的數(shù)據(jù)可以在不同的時間戳分為幾個子集。在這種情況下，科學家們就可以在獲取下一個數(shù)據(jù)時，同時并行處理后期數(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)動程序并支持廣泛的編程語言，這其中就包括Python。Python的多處理模塊非常適合這種類型的應用，也能夠滿足上述使用場景。

　　CAPP負責人兼韓國科學技術院(KAIST)教授Yannis K. Semertzidis解釋說：“這次實驗不是一場百米沖刺，而是馬拉松開啟后的第一個目標。我們在實踐中學習，并測試了未來在更高級別系統(tǒng)中使用的新概念。”該團隊證明，他們可以達到比之前在目標頻率范圍內(nèi)進行的所有其他實驗更好的靈敏度。該團隊目前的計劃是使用更大的系統(tǒng)擴大其實驗。

　　圖3:CAPP實驗大廳可以滿足多個暗物質(zhì)搜索實驗同時安裝和運行。該實驗室包括七個用于平行實驗裝置的低振動墊，以及幾個冰箱和超導磁體。

　　為了加速搜索過程，CAPP團隊現(xiàn)在使用多個系統(tǒng)設計進行多次實驗。這樣就可以同時瞄準不同的軸子質(zhì)量范圍。圖3顯示了CAPP實驗大廳的全貌，其中展現(xiàn)了多個實驗裝置。有興趣的讀者可以在CAPP網(wǎng)站https://capp.ibs.re.kr/html/capp_en/上關注實驗進展。

　　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試結果:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/05/P05025/meta

　　關于Spectrum儀器

　　Spectrum儀器成立于1989年，憑借其獨特的模塊化概念設計和研發(fā)了200余款數(shù)字化儀和發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及獨立的以太網(wǎng)設備(LXI)。在過去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認可，旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領軍企業(yè)以及頂尖大學的眾多產(chǎn)品和科研項目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的格羅斯?jié)h斯多爾夫。公司憑借卓越的技術能力、優(yōu)質(zhì)的客戶服務和長達5年的質(zhì)保享譽全球。