[ad_1]
Para explicar la formación, evolución y comportamiento de estructuras a gran escala en el Universo, como las galaxias, los científicos han predicho la existencia de materia oscura. De hecho, la teoría sugiere que el universo podría contener hasta cinco veces más materia oscura que materia ordinaria. Si bien la pregunta de qué está hecha realmente la materia oscura sigue sin respuesta, los científicos han identificado una serie de partículas candidatas. Algunos de los más prometedores son los axiones, que pueden tener tan solo una diez billonésima parte de la masa de un electrón. En Corea del Sur, en el Instituto de Ciencias Básicas (IBS), reunieron a un equipo de expertos para estudiar e intentar encontrar axiones. Se eligió un digitalizador PCIe rápido de Spectrum Instrumentation para los experimentos más recientes y avanzados.
Se prevé que los axones se transformen en fotones en presencia de un fuerte campo magnético. Entonces, el equipo coreano construyó un nuevo laboratorio usando imanes súper poderosos para tratar de recrear ese escenario exacto. La imagen del fenómeno se realiza con un haloscopio., que a su vez utiliza un sistema de adquisición de datos de alta velocidad (DAQ) para capturar, analizar y almacenar los resultados.
En CAPP, el Centro de Investigación de Axiones y Física de Precisión del IBS, se llevarán a cabo varios experimentos durante la próxima década para confirmar la existencia de axiones y, en última instancia, determinar sus propiedades. Los primeros resultados experimentales ya están disponibles. El equipo de CAPP buscó axiones con una masa entre 6,62 y 6,82 μeV, correspondientes a la frecuencia entre 1,6 y 1,65 GHz. La búsqueda se realizó mediante el dispositivo CAPP que se muestra en la Figura 1. Los investigadores demostraron experimentalmente con un nivel de confianza del 90 %, que es el resultado a escala de masa más sensible hasta la fecha, que no hay materia oscura axiónica ni partículas similares a axiones en este rango.
Un componente clave del sistema de adquisición de datos implementado más recientemente en el laboratorio es una tarjeta digitalizadora PCIe de Spectrum Instrumentation, modelo M4i.4470-x8. Los científicos eligieron este dispositivo porque puede muestrear las señales entrantes en dos canales simultáneamente a velocidades de hasta 180 MS/sy una resolución vertical de 16 bits. Es importante destacar que los datos recopilados se pueden transmitir a una computadora a través del bus PCIe a una velocidad de transferencia de más de 3 GB/s. Esto significa que todos los datos se pueden capturar y enviar a la computadora host sin que se pierda nada. En la Figura 2 se muestra un diagrama de bloques de la configuración experimental típica.
dr. ByeongRok Ko, investigador asociado de CAPP, explica: “Nuestro objetivo era mejorar la cifra de mérito en la búsqueda del haloscopio Axion, es decir, la tasa de exploración. En primer lugar, hemos obtenido una eficiencia práctica de DAQ de más del 99 % para un solo canal, donde el proceso de DAQ incluye las transformadas rápidas de Fourier (FFT) en línea. Luego, utilizando un mezclador IQ y dos canales DAQ paralelos, implementamos el rechazo de imágenes basado en software sin perder la eficiencia DAQ. Esto es más del doble de la eficiencia de las configuraciones anteriores basadas en el uso de un analizador de espectro convencional”.
El rechazo de imágenes es importante porque las búsquedas de haloscopio de axión generalmente usan un receptor heterodino que introduce fondos de imágenes no deseados. Por lo tanto, la supresión de fotogramas se vuelve esencial para mantener una tasa de muestreo alta. En este caso, el sistema DAQ rápido ofrece alrededor de 35 dB de rechazo de imagen en un rango de frecuencia de 600 a 2200 MHz. «Hay dos características clave de la tarjeta Spectrum Digitizer que lo hacen posible, por eso la elegimos», dice el Dr. Byeong Rok Ko. «Primero, la memoria integrada de 2 GSamples que se puede usar como búfer, y segundo, un modo de transferencia FIFO a través de la interfaz PCI Express x8 Gen2 que permite la transmisión continua de datos a velocidades superiores a 3 GB/s».
Otro desafío para el sistema DAQ es el procesamiento posterior de los datos. Esto incluye conversión de unidades, FFT en línea, promediar y escribir los espectros de potencia en el disco. La FFT en línea domina el tiempo de posprocesamiento. En la mayoría de los casos, los experimentos con haloscopio de axión requieren datos a diferentes frecuencias de resonancia ya que se desconoce la masa del axión. Además, por varias razones, los datos en cada frecuencia resonante se pueden dividir en múltiples subconjuntos con diferentes marcas de tiempo. En tales casos, el procesamiento posterior se puede realizar en paralelo mientras se recopilan los siguientes datos. Afortunadamente, los digitalizadores de Spectrum Instrumentation vienen con controladores que admiten una amplia gama de lenguajes de programación, incluido Python. El módulo de multiprocesamiento de Python es ideal para este tipo de aplicación y luego se usó para demostrar el escenario anterior.
Yannis K. Semertzidis, director de CAPP y también profesor de KAIST (Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea), explica: “Este experimento no es una carrera de 100 metros, sino la primera meta de un maratón. Aprendimos de él y probamos nuevos conceptos para usarlos en sistemas de alto nivel en el futuro”. El equipo demostró que pueden lograr una sensibilidad mucho mejor que cualquier otro experimento realizado anteriormente en el rango de frecuencia objetivo. El plan ahora es expandir sus experimentos con sistemas más grandes.
[ad_2]