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Search for Solar Axions with the CCD Detector and X-ray Telescope at CAST Experiment

Rosu, Madalin-Mihai :
Search for Solar Axions with the CCD Detector and X-ray Telescope at CAST Experiment.
Technical University of Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Search for Solar Axions with the CCD Detector and X-ray Telescope at CAST Experiment
Language: English
Abstract:

The CERN Axion Solar Telescope (CAST) is an experiment that uses the world’s highest sensitivity Helioscope to date for solar Axions searches. Axions are weakly interacting pseudoscalar particles proposed to solve the so-called Strong Charge-Parity Problem of the Standard Model. The principle of detection is the inverse Primakoff Effect, which is a mechanism for converting the Axions into easily detectable X-ray photons in a strong transverse magnetic field. The solar Axions are produced due to the Primakoff effect in the hot and dense core of from the coupling of a real and a virtual photon. The solar models predict a peak Axion luminosity at an energy of 3 keV originating mostly from the inner 20% of the solar radius. Thus an intensity peak at an energy of 3 keV is also expected in the case of the X-ray radiation resulting from Axion conversion. CAST uses a high precision movement system for tracking the Sun twice a day with a LHC dipole twin aperture prototype magnet, 9.26 meters long and with a field of 9 Tesla. On the four apertures of the magnet, X-ray detectors look for photons resulted from Axion conversion. For investigating different Axion masses, 3He and 4He buffer gas was injected in the magnetic region, restoring the coherence for Axion-to-photon conversion into mass regions so far unexplored, favoured by QCD Axion models. Using this scanning strategy, Axion masses were investigated in the range 0.02 eV to 1.17 eV between 2003 and 2013. One of CAST Detectors is a pn-CCD chip placed in the focal plane of an X-ray Telescope. In this thesis an overview of 2009, 2010 and 2011 data taken with this detector is presented. Signal and background levels were extracted, indicating that no conversion signature was detected. The analysed data is being used within the collaboration for improving the combined upper limits on the Axion-to- photon coupling constant parameter space (g!! ≲ 3.3×10!!"

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Am CERN Axion Solar Telescope (CAST) Experiment wird das weltweit empfindlichste Helioskop zum Nachweis von Axionen eingesetzt. Axionen sind schwach wechselwirkende pseudoskalare Teilchen, die zur Lösung des sogenannten starken Charge-Parity Problems des Standardmodells vorgeschlagen wurden. Das Detektionsprinzip basiert auf das inverse Primakoff Effekt, ein Mechanismus, das zur Umwandlung der Axionen in leicht nachweisbare Röntgenstrahlung in Anwesenheit eines starken transversalen magnetischen Feldes führt. Die solaren Axionen werden aufgrund des Primakoff Effekts im heißen und dichten Sonnenkern aus der Kopplung eines reellen mit einem virtuellen Photon erzeugt. Die Sonnen-Modelle sagen eine maximale Axionenleuchtkraft bei einer Energie von 3 keV voraus. Der Ursprung dieser Axionen befindet sich hauptsächlich innerhalb von 20% des Sonnenradiuses. Infolgedessen wird auch ein Maximum der Intensität der entsprechenden Röntgenstrahlung bei etwa 3 keV erwartet. CAST verwendet ein Magnet mit einer Länge von 9.26 m lang und einem Feld von 9 Tesla. An den vier Öffnungen des Magneten, befinden sich Röntgendetektoren zum Nachweis der Photonen, die aus der Konversion der Axionen resultieren. Zur Berücksichtigung verschiedener Axion Massen wurden 3He beziehungsweise 4He als Puffergase im Inneren des Magneten eingesetzt. Sie dienen der Wiederherstellung der Kohärenzbedingung, die für die Axion-Photon-Umwandlung notwendig ist. Somit wurden bisher unerforschte Regionen des Wertebereiches der Axionmasse untersucht, die von QCD Axion-Modellen begünstigt werden. Diese Experimentstrategie ermöglichte in der Zeit von 2003 bis 2013 die Suche nach Axionen mit Massen zwischen 0.02 und 1.17 eV. Einer der CAST Detektoren ist ein pn-CCD Chip, der sich in der Brennebene eines Röntgenteleskops befindet. In dieser Arbeit wird ein Überblick über die Daten, die in den Jahren 2009, 2010 und 2011 mit diesem Detektor erfasst wurden, gegeben. Die gewonnenen Signal und Hintergrundwerte weisen auf eine fehlende Konversionssignatur hin. Die analysierten Daten werden im Rahmen der Experimentkooperation dazu verwendet, um durch Zusammenführung mit den Daten der anderen Detektoren die kombinierten Obergrenzen des Parameterbereiches der Axion-Photon- KopplungskonstanteGerman
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technical University of Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 09 Jun 2015 13:45
Last Modified: 09 Jun 2015 13:45
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-45776
Referees: Hoffmann, Prof. Dr Dieter H. H. and Zioutas, Prof. Dr Konstantin
Refereed: 3 June 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4577
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