Conceptual Design of the International Axion Observatory (IAXO)
E. Armengaud, F. T. Avignone, M. Betz, P. Brax, P. Brun, G. Cantatore, J. M. Carmona, G. P. Carosi, F. Caspers, S. Caspi, S. A. Cetin, D. Chelouche, F. E. Chris… 展开作者
E. Armengaud, F. T. Avignone, M. Betz, P. Brax, P. Brun, G. Cantatore, J. M. Carmona, G. P. Carosi, F. Caspers, S. Caspi, S. A. Cetin, D. Chelouche, F. E. Christensen, A. Dael, T. Dafni, M. Davenport, A. V. Derbin, K. Desch, A. Diago, B. Döbrich, I. Dratchnev, A. Dudarev, C. Eleftheriadis, G. Fanourakis, E. Ferrer-Ribas, J. Galán, J. A. García, J. G. Garza, T. Geralis, B. Gimeno, I. Giomataris, S. Gninenko, H. Gómez, D. González-Díaz, E. Guendelman, C. J. Hailey, T. Hiramatsu, D. H. H. Hoffmann, D. Horns, F. J. Iguaz, I. G. Irastorza, J. Isern, K. Imai, A. C. Jakobsen, J. Jaeckel, K. Jakovčić, J. Kaminski, M. Kawasaki, M. Karuza, M. Krčmar, K. Kousouris, C. Krieger, B. Lakić, O. Limousin, A. Lindner, A. Liolios, G. Luzón, S. Matsuki, V. N. Muratova, C. Nones, I. Ortega, T. Papaevangelou, M. J. Pivovaroff, G. Raffelt, J. Redondo, A. Ringwald, S. Russenschuck, J. Ruz, K. Saikawa, I. Savvidis, T. Sekiguchi, Y. K. Semertzidis, I. Shilon, P. Sikivie, H. Silva, H. ten Kate, A. Tomas, S. Troitsky, T. Vafeiadis, K. van Bibber, P. Vedrine, J. A. Villar, J. K. Vogel, L. Walckiers, A. Weltman, W. Wester, S. C. Yildiz, K. Zioutas
国际轴子天文台（IAXO）将是第四代轴子太阳望远镜。作为其主要的物理目标，IAXO将通过太阳等离子体光子的Primakoff转换寻找起源于太阳的轴子或类轴子粒子（ALP）。在信噪比方面，IAXO将比CAST（目前最强大的轴子日光镜）灵敏约4-5个数量级，对轴子-光子耦合的灵敏度低至几个$\times 10^{-12}$ GeV $^{-1}$，从而探测目前未探索的轴子和ALP参数空间的很大一部分。IAXO还将对由轴子-电子耦合$g_{ae}$介导的机制产生的太阳轴子敏感，$-$首次敏感到天体物理学以前未排除的$g_{ae}$值。与其他几个可能的物理情况下，IAXO有可能作为一个多用途的设施，在未来十年的通用轴子和ALP研究。在本文中，我们提出了IAO的概念设计，它遵循的增强轴子日光镜的布局，基于一个专门建造的20米长的8线圈环形超导磁体。所有8个直径为60 cm的磁体孔都配备了聚焦X射线光学器件，能够将信号光子聚焦成$\sim 0.2$ cm $^2$斑点，这些斑点由超低背景Micromegas X射线探测器成像。磁体内置于具有仰角和方位角驱动器的结构中，这将允许每天$\sim$ 12小时的太阳跟踪。
英文摘要：
The International Axion Observatory (IAXO) will be a forth generation axion helioscope. As its primary physics goal, IAXO will look for axions or axion-like particles (ALPs) originating in the Sun via the Primakoff conversion of the solar plasma photons. In terms of signal-to-noise ratio, IAXO will be about 4-5 orders of magnitude more sensitive than CAST, currently the most powerful axion helioscope, reaching sensitivity to axion-photon couplings down to a few $\times 10^{-12}$ GeV$^{-1}$ and thus probing a large fraction of the currently unexplored axion and ALP parameter space. IAXO will also be sensitive to solar axions produced by mechanisms mediated by the axion-electron coupling $g_{ae}$ with sensitivity $-$for the first time$-$ to values of $g_{ae}$ not previously excluded by astrophysics. With several other possible physics cases, IAXO has the potential to serve as a multi-purpose facility for generic axion and ALP research in the next decade. In this paper we present the conceptual design of IAXO, which follows the layout of an enhanced axion helioscope, based on a purpose-built 20m-long 8-coils toroidal superconducting magnet. All the eight 60cm-diameter magnet bores are equipped with focusing x-ray optics, able to focus the signal photons into $\sim 0.2$ cm$^2$ spots that are imaged by ultra-low-background Micromegas x-ray detectors. The magnet is built into a structure with elevation and azimuth drives that will allow for solar tracking for $\sim$12 h each day.
Overview and design optimization of a custom hybrid X-ray telescope for the International Axion Observatory (IAXO)
Columbia University（哥伦比亚大学）；INAF, Italian National Institute for Astrophysics（意大利国家天体物理研究所）；Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik（马克斯·普朗克地外物理研究所）；Technische Universität Dortmund（多特蒙德工业大学）；Universidad de Zaragoza（萨拉戈萨大学）；Universität Bonn（波恩大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
High-resolution for IAXO: MMC-based X-ray Detectors
国际轴子天文台（International Axion Observatory，IAXO）等计划中的轴子太阳观测仪将搜寻来自太阳的轴子和类轴子粒子（axion like particles，ALP）的证据。强磁场用于通过一般ALP-光子耦合将ALP转换成光子。为了观察由此产生的光子，具有低背景和高效率的X射线探测器是必要的。此外，良好的能量分辨率和低能量阈值将允许通过研究发现后的X射线光谱来研究ALP性质。我们建议使用低温金属磁量热计（MMC）。在这里，我们提出了第一个探测器系统的基础上开发的金属基复合材料的IAXO和讨论的表征结果。该探测器由一个二维的64像素阵列，覆盖16毫米$^2$的有效面积与填充因子为93%。我们实现了平均能量分辨率为6.1 eV的半高宽允许低于100 eV的能量阈值。该探测器是迈向与IAXO X射线光学器件匹配的更大1 cm $^2$阵列的第一步。我们确定的背景率为1 keV和10 keV之间的能量范围内的一个未屏蔽的探测器系统是$3.2(1) \times 10^{-4}$ keV $^{-1}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$从30天内获得的事件。在未来，主动和被动屏蔽将大大减少宇宙μ子和自然放射性引起的背景。我们的研究结果表明，MMC是一种很有前途的技术，为太阳望远镜发现和研究ALP。
Lowering the background level and the energy threshold of Micromegas x-ray detectors for axion searches
轴子太阳窥镜通过在强磁场中转换为x射线来寻找太阳轴子。使用低背景X射线探测器是提高这些搜索灵敏度的一个重要组成部分。本文综述了用于欧洲核子研究中心（CERN）轴子太阳望远镜（CAST）和未来国际轴子天文台（IAXO）的Micromegas探测器的最新进展。CAST中的实际设置已实现低于10 $^{-6}$ keV $^{-1}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$的本底水平，比第一代Micromegas探测器低100倍。这种减少是基于主动和被动屏蔽技术，选择放射纯材料，离线歧视技术和读出的高粒度。我们详细描述的背景模型的检测器，其操作的基础上在CAST网站和Canfranc地下实验室（LSC），以及Geant 4模拟。目前在LSC达到的最佳水平低于10 $^{-7}$ keV $^{-1}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$，并显示出该技术在IAO中应用的良好前景。最后，我们提出了一些想法和结果，降低这些探测器的能量阈值低于1千电子伏，使用高透明的窗口，自动触发电子学和研究在不同的能量的集群形状。由于在这个能量范围内预期会有高通量的类轴子粒子，亚千电子伏阈值探测器可以扩大轴子太阳镜的物理情况。
