New experimental techniques for axion searches in the RADES and BabyIAXO experiments

Abstract

[eng] Initially proposed as part of the solution to the strong CP problem of the Standard Model of particle physics, axions and axion-like particles appear on several Beyond Standard Model extensions. These pseudoscalar pseudo-Nambu-Goldstone bosons could also be the answer to one of the most puzzling questions on cosmology, the Dark Matter problem. For decades, searches have been performed for finding these elusive particles. The most promising of which deals with the conversion of axions into photons and their observation. Depending on the origin of these axions we can distinguish between two main kind of experiments, haloscopes (for dark matter axions) and helioscopes (for solar axions).

In this document we compile three different contributions to axion searches within the same framework that have been inside the scope of the thesis work during the last years. The first comprises the work developed in a proposal that paves the path for haloscope searches at BabyIAXO, in particular a set of 5 meter long cavities are proposed for covering the structures already used at CAST for axion searches. In the second part we expose the characterization and optimization of the radioactive background of the acquisition electronics for the BabyIAXO helioscope. In the last part a general framework for treating multicavity resonators is presented as an extension of the theory developed for the first RADES prototype, based on this idea two new prototypes were designed, manufactured and characterized.

[cat] Els axions, i les denominades axion-like particles, són partícules elementals pseudoescalars que apareixen en diverses extensions del model estàndard de la física de partícules. Els axions foren proposats inicialment per explicar la simetria de paritat i conjugació de càrrega en les interaccions fortes. Però aquests bosons pseudo-Nambu-Goldstone també podrien ser la resposta a una de les preguntes més desconcertants de la cosmologia, el problema de la natura de la matèria fosca. Durant dècades s’han desenvolupat diferents experiments amb l’objectiu de detectar axions. El mètode més atractiu per detectar axions de matèria fosca es basa en el conegut com a inverse Primakoff effect i consisteix en la conversió d’axions en fotons en presència d’un camp magnètic molt intens. Els fotons produits en aquest procés poden ser detectats amb l’ús d’una cavitat resonant on l’energia associada a la conversió és enmagatzenada. Aquest tipus d’experiments centrats en la detecció d’axions que componen l’halo matèria fosca es denominen haloscopis. L’altre tipus d’experiment paradigmàtic el constitueixen els helioscopis, on l’objectiu consisteix en la detecció d’axions emessos a l’interior del Sól. A diferència dels haloscopis, on els axions se suposen freds i, per tant, el seu moment és menyspreable. Als helioscopis es tracten de detectar axions relativistes, amb una energia en l’escala dels keV. Els limits experimentals més precisos per a l’existència d’axions solars són els obtesos a l’experiment CAST al llarg dels últims anys. En el context actual, BabyIAXO es proposa com a una etapa experimental intermèdia al desenvolupament del International Axion Observatory (IAXO), un helioscopi de nova generació amb l’objectiu de detectar axions i axion-like particles amb una sensibilitat ordres de magnitud superior a la d’experiments anteriors, com CAST. El setup experimental de BabyIAXO consisteix en un imà amb un camp magnètic de 5 T, i dos forats de 10 m de longitud i 70 cm de diàmetre. La manca d’imans d’aquestes característiques el fan un candidat ideal per aprofitar a l’hora de desenvolupar cerques, no només d’axions solars, sinó també de matèria fosca.

Aquest treball de tesi compila tres contribucions experimentals diferents de cerques de axions, per a ambdós axions de matèria fosca i axions solars, dins els experiments RADES i BabyIAXO. El primer bloc comprèn el treball desenvolupat en una proposta que aplana el camí per a cerques d’haloscopi a l’experiment BabyI- AXO, en particular es proposa un conjunt de cavitats de 5 metres de llarg basades en l’experiència desenvolupada a l’experiment CAST. A la segona part s’exposa la car-

acterització i optimització del fons radioactiu produït per l’electrònica d’adquisició a l’helioscopi BabyIAXO. Aquests estudis es basen en mesures de la contaminació radioactiva dels components electrònics al laboratori subterrani de Canfranc i simulacions de decaïments radioactius. En la darrera part es presenta un marc general per tractar els ressonadors multicavitat ampliant la teoria desenvolupada per al primer prototip RADES, aquesta extensió teòrica permet dissenyar cavitats més estables per mesurar axions de matèria fosca. Basats en aquest formalisme per a ressonadors de microones, es van dissenyar, fabricar i caracteritzar dos nous prototips per la detecció de matèria fosca.