Spectrum仪器PC卡助力韩国基础科学研究所高效搜索轴子粒子中的暗物质

　　中国北京，2022年11月2日讯——为了更好地诠释宇宙中大尺度结构(如星系)的形成、演化及行为，科学家预测了暗物质的存在。事实上，理论表明宇宙中所包含的暗物质数量可能达到了普通物质的五倍!虽然暗物质是由什么构成这个问题至今还是一个谜，但科学家已经确定了一些候选粒子。其中的一些轴子可信度更高，它们可能只有电子质量的十万亿分之一。为了研究并找到这些轴子，韩国基础科学研究所(IBS)组建了一个专家团队并在其最新且最先进的实验使用了Spectrum仪器公司所提供的PCIe数字化仪。

　　据预测在强磁场的作用下，轴子将转化为光子。因此，韩国团队建立了一个全新的实验室，使用超强磁铁来尝试和创造这种精确的场景。试想这种现象是使用一个Haloscope实现的，随后通过一个快速数据采集系统(DAQ)捕获、分析和存储结果。

　　韩国基础科学研究所的轴子与精准物理研究中心(CAPP)计划在未来十年进行多项实验，以确认轴子的存在及其属性。目前，首个实验的结果已经公布。轴子与精准物理研究中心已经找到了质量在6.62 ~ 6.82 μeV之间的轴子，它们对应的频率在1.6 ~ 1.65 GHz之间。此次搜索使用了CAPP的设备，如图1所示。研究人员表明此项实验的置信水平高达90%，这也是迄今为止质量范围内最为敏感的结果，即在该范围内不存在轴子暗物质或类轴子。

　　图1:CAPP装置配有一块8T的超导磁体。来自孔的微弱信号(10−24 W))被放大并通过带有HEMT放大器的射频接收链传输，随即进行采集、分析和存储。

　　Spectrum仪器提供的PCIe数字化仪卡，即M4i.4470-x8型号是该实验室最新数据采集系统的一个关键组件。科学家们选择该设备的原因是它可以同时在两个通道上对传入信号进行采样，速率高达180MS/s并具有16位垂直分辨率。更重要的是，收集到的数据可以通过PCIe总线以超过3GB/s的速度传输到计算机。这意味着所有被获取的数据能够全数传输至主机，而不会丢失任何数据。图2为典型的实验装置示意图。

　　图2:在轴子搜索中，从haloscope发出的信号在被DAQ获取前被放大

　　CAPP的研究员ByeongRok Ko博士解释说：“我们的目的是提高轴子haloscope搜索的优势，即扫描速率。首先，我们意识到单通道的实际DAQ效率超过99%，其中DAQ数据处理包括在线快速傅里叶变换(FFTs)。然后，我们用一个IQ混合器和两个并行的DAQ通道实现了基于软件的图像抑制，而无需损失DAQ效率。在最初设置时，其效率要比基于传统频谱分析仪高两倍多。”

　　由于轴子haloscope搜索通常使用外差接收器引入多余的图像背景，因此图像抑制对于保持高扫描速率而言尤为重要。在这种情况下，快速DAQ系统提供约35 dB的图像抑制，频率范围从600到2200兆赫。ByeongRok Ko博士继续说道：“我们之所以选择Spectrum数字化仪卡，是因为它拥有两个重要的功能。首先，高达2 GSamples的板载内存可以用作缓冲区。其次，通过PCI Express x8 Gen2接口的FIFO传输模式，连续数据流速度可达到3 GB/s。”

　　DAQ系统面临的另一个挑战是数据的后期处理。这包括单位转换、在线FFT、平均和将功率谱写入磁盘存储。在线FFT在后期数据处理时间上占主导地位。在大多数情况下，由于轴子质量未知，因此轴子haloscope实验需要不同共振频率的数据。此外，由于各种原因每个共振频率的数据可以在不同的时间戳分为几个子集。在这种情况下，科学家们就可以在获取下一个数据时，同时并行处理后期数据。值得庆幸的是，Spectrum 仪器所提供的数字化仪附带了驱动程序并支持广泛的编程语言，这其中就包括Python。Python的多处理模块非常适合这种类型的应用，也能够满足上述使用场景。

　　CAPP负责人兼韩国科学技术院(KAIST)教授Yannis K. Semertzidis解释说：“这次实验不是一场百米冲刺，而是马拉松开启后的第一个目标。我们在实践中学习，并测试了未来在更高级别系统中使用的新概念。”该团队证明，他们可以达到比之前在目标频率范围内进行的所有其他实验更好的灵敏度。该团队目前的计划是使用更大的系统扩大其实验。

　　图3:CAPP实验大厅可以满足多个暗物质搜索实验同时安装和运行。该实验室包括七个用于平行实验装置的低振动垫，以及几个冰箱和超导磁体。

　　为了加速搜索过程，CAPP团队现在使用多个系统设计进行多次实验。这样就可以同时瞄准不同的轴子质量范围。图3显示了CAPP实验大厅的全貌，其中展现了多个实验装置。有兴趣的读者可以在CAPP网站https://capp.ibs.re.kr/html/capp_en/上关注实验进展。

　　以下研究论文讨论了DAQ系统的发展，以及各种采集模式和测试结果:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/05/P05025/meta

　　关于Spectrum仪器

　　Spectrum仪器成立于1989年，凭借其独特的模块化概念设计和研发了200余款数字化仪和发生器产品，其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及独立的以太网设备(LXI)。在过去30年间，Spectrum获得了业界的广泛认可，旗下产品也被用于行业领军企业以及顶尖大学的众多产品和科研项目中。Spectrum仪器总部位于德国汉堡附近的格罗斯汉斯多尔夫。公司凭借卓越的技术能力、优质的客户服务和长达5年的质保享誉全球。