La luce attraverso un muro: Rilevamento di Axion al DESY con Moku:Lab e Moku:Pro

Scopri come i ricercatori stanno spingendo i confini della fisica delle particelle con una strumentazione flessibile e definita dal software. 

Introduzione
L'Any Light Particle Search (ALPS) è un gruppo di ricerca del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), un istituto di ricerca di fama mondiale per la scienza fondamentale con sede ad Amburgo - e il più grande centro di accelerazione della Germania (Figura 1). Seguendo il motto dell'istituzione, "la decodifica della materia", il ricercatore post-dottorato Todd Kozlowski sta lavorando a un progetto di rilevamento degli assioni per comprendere meglio fenomeni fisici come la materia oscura nell'universo. Todd e il resto del gruppo di ricerca ALPS, guidato da Axel Lindner, stanno sviluppando teorie che includono nuove particelle luminose per descrivere l'universo, ampliando il modello accettato della fisica delle particelle utilizzando l'interferometria a infrarossi e il rilevamento eterodina di segnali estremamente deboli. Il gruppo, che ha coniato l'obiettivo della sua missione come "far passare la luce attraverso un muro", mira a rilevare particelle chiamate particelle sub-eV debolmente interagenti (WISP), o più specificamente, assioni. Mentre la luce laser viene fermata da un muro, gli assioni possono attraversarlo.
 

Figura 1: Un membro del team ALPS che effettua le regolazioni del tavolo ottico

Utilizzando quattro dispositivi Moku:Lab e un dispositivo Moku:Pro, Todd e il suo team hanno compiuto incredibili progressi verso i loro obiettivi di ricerca. Moku:Lab e Moku:Pro sono dispositivi all-in-one, basati su FPGA, che forniscono più di 12 strumenti di test, che vanno dai comuni strumenti da banco, come l'oscilloscopio e l'analizzatore di spettro, a potenti strumenti ottici, come l'amplificatore Lock-in e la Laser Lock Box.

La sfida
Il gruppo di Todd sta cercando di stabilizzare la frequenza di un laser in una cavità ottica con una frequenza di guadagno unitaria molto elevata e una larghezza di linea incredibilmente ridotta. In effetti, questa cavità in particolare ha la larghezza di linea più stretta di qualsiasi altra cavità ottica al mondo, il che la rende molto difficile da agganciare (Figura 2). Come molti ricercatori di ottica, il team ha fatto ricorso alla costruzione a mano di un sistema analogico che si è subito reso conto non avrebbe soddisfatto i requisiti di flessibilità del loro esperimento.

Inoltre, il team sta cercando il segnale dei fotoni rigenerati dagli assioni, impresso come nota di battimento nella riflessione della cavità. Questi campi sono incredibilmente deboli; la potenza equivalente è al livello di un singolo fotone misurato al giorno. Inoltre, le particelle di luce possono trasformarsi in assioni con una probabilità di solo 1:1014, il che significa che il team non può permettersi di perdere alcun dato prezioso.
 

Figura 2: Il record mondiale di tempo di conservazione della cavità di rigenerazione (RC), ovvero il tempo in cui la luce laser rimane in circolazione tra gli specchi, della cavità ottica a due specchi lunga 125 metri

La soluzione
Todd e il suo team hanno capito subito che Moku è più di una semplice interfaccia utente intuitiva: è una soluzione di livello professionale che offre un'intera suite di strumenti ad alte prestazioni per accelerare la scienza d'avanguardia. Sostituendo l'elettronica analogica con Moku, il team ha riscontrato miglioramenti nella flessibilità e nella capacità di iterare rapidamente i progetti e di semplificare la registrazione dei dati, sciogliendo rapidamente ogni esitazione legata all'adozione di una strumentazione definita dal software. Oltre alla facilità di integrazione con l'esperimento, Moku è stato in grado di eguagliare l'accuratezza degli strumenti analogici di livello scientifico progettati su misura. I risultati sono stati ottenuti immediatamente sfruttando l'amplificatore Lock-in, la Digital Filter Box, la Laser Lock Box e altro ancora (Figura 3).
 

Figura 3: Membri del team ALPS al lavoro in una camera bianca del DESY

Passando a Moku:Lab e Moku:Pro, i ricercatori hanno potuto bloccare istantaneamente la frequenza del laser alla cavità utilizzando la tecnica Pound-Drever-Hall (PDH), sostituendo di fatto il sistema per avere il tempo di ottimizzarlo ulteriormente. Poiché il team di Todd doveva non solo bloccare le frequenze laser alle cavità ottiche, ma anche rilevare segnali incredibilmente deboli, si è nuovamente rivolto agli strumenti Moku per la ricerca di un Lock-in Amplifier.

"Non so se avremmo potuto immaginare un modo migliore per ottenere questi dati", ha detto Todd. "Moku è stata una scelta naturale."

Due dispositivi Moku monitorano il blocco di fase dell'impianto utilizzando lo strumento Spectrum Analyzer, analizzando i segnali fino al livello di µV per garantire che il sistema rimanga nello stato "bloccato" con tutti i laser che si seguono a vicenda. Da qui, altri due dispositivi Moku azionano lo strumento Lock-in Amplifier per utilizzare l'interferometria eterodina e leggere i segnali con tensioni inferiori ai NV.

Il risultato
Todd e il suo team sono in grado di generare un segnale di battimento incredibilmente debole tra due campi di luce, uno forte e uno molto debole. La piccola nota di battimento che risulta dalla loro interferenza viene riflessa su un fotorivelatore, che viene poi misurato dall'amplificatore Lock-in di Moku:Lab (Figura 4). Questa soluzione demodula il segnale alla frequenza di occorrenza prevista, consentendo a Todd di risolvere tassi di segnale molto bassi dal campo debole della miscelazione eterodina fino all'ordine di un singolo fotone per diverse ore. Questi segnali non si risolvono da soli fino a quando non sono state completate ore di registrazione dei dati: tutti questi dati vengono acquisiti con lo strumento Data Logger incorporato nell'amplificatore Lock-in, eliminando la necessità di una costosa strumentazione aggiuntiva per registrare le informazioni del segnale su una scheda SD per una registrazione affidabile dei dati.
 

Figura 4: Il team utilizza un dispositivo Moku:Lab (a destra) per stabilizzare la frequenza di un laser in una cavità ottica lunga 125 metri

I ricercatori sono stati anche in grado di utilizzare Moku:Pro per risolvere problemi imprevisti, come nel caso di una piccola modifica dell'architettura sperimentale che ha reso necessario un loop ad aggancio di fase (PLL). Hanno potuto implementare rapidamente Moku:Pro al volo come PLL ed evitare di incorrere in blocchi dovuti a modifiche dei requisiti.

"Avevamo bisogno di una soluzione abbastanza rapidamente", ha detto Todd. "Moku:Pro è stato inserito e dal momento in cui è stato portato nella camera bianca al momento in cui il loop era operativo sono passate un paio d'ore".

Con Moku:Pro, è facile per il team utilizzare la Laser Lock Box e gli strumenti dell'analizzatore di spettro in Multi-instrument Mode per analizzare la nota di battuta desiderata mantenendo il blocco.

Conclusione
Per far progredire la loro ricerca, Todd e il suo team avevano bisogno di apparecchiature di test flessibili, adatte a più applicazioni e in grado di soddisfare le esigenze di stabilità del clock, rumore del convertitore analogico-digitale (ADC) e rumore del convertitore digitale-analogico (DAC). La piattaforma Moku ha soddisfatto questi requisiti, fornendo al contempo una strumentazione fondamentale che ha dato al team nuovi modi per monitorare i segnali, registrare i dati e vincere alcune delle più grandi sfide di misura della fisica.

Il team intende continuare a utilizzare i dispositivi Moku nei propri esperimenti. Attualmente stanno lavorando a un piano per controllare i dispositivi tramite API. Finora hanno integrato sei dispositivi Moku completamente controllati a distanza, che effettuano misurazioni e trasmettono dati in streaming. Hanno ottenuto questo risultato attraverso il sistema di controllo globale di DESY, utilizzando l'API Moku Python (Figura 5) per controllare i sei dispositivi Moku e cinque diversi strumenti.
 

Figura 5: Il team utilizza un'interfaccia grafica Python per gestire più strumenti e diversi dispositivi Moku attraverso il sistema di controllo globale di DESY