Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma Scopo iniziale della proposta STAX: Generazione e rivelazione.

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1 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma Scopo iniziale della proposta STAX: Generazione e rivelazione per particelle Axion-like prodotti attraverso il meccanismo di conversione Primakoff da fotone ad axione e decadimento assione fotone. Le sorgenti attualmente disponibili con alta fluenza sono i girotroni, emettono nella regione del sub-THz, vale a dire tra i 30 GHz e 1THz e può superare una potenza di 1 MW. Numero/sec di fotoni da decadimento assionico

2 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma Obiettivo del R&D: Realizzare un rivelatore a singolo fotone nella regione compresa tra 30-100 GHz basato sullo sviluppo di sensori TES (transient edge sensor). TES - Bolometro Antenna Schema del bolometro. Il TES è un ponte di materiale superconduttore a bassa temperatura. Esso è depositati su un substrato di Si ed ai lati è connesso con due elettrodi superconduttori. L'energy gap del superconduttore all'interno della TES è quasi zero, in quanto il suo punto di lavoro è in uno stato debolmente resistivo vicino alla transizione superconduttore-normale.

3 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma TES - Bolometro Sensibilità Equilibrio termico con la T del pozzo Termico in funzione del tempo Rumore termico La capacotà C deve essere molto piccola (piccole dimensioni).

4 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma R&D obiettivo: realizzare sensori TES nella regione di lavoro tra 30-100 GHz 1 Materiale: selezionare un superconduttore a bassa T critica (<20 mK) per avere una buona risoluzione energetica (~ T3/2) 2 alfa-W, doppio strato Ti-Au o Ti-Cu 3 Realizzazione TES con volume attivo (10 -3 -10 -4 µm 3 ) per bassa capacità termica 4 Basso rumore ottimizzazione elettronica SQUID lettura (operando a 100 mK) Antenna

5 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma Schema del setup sperimentale del rivelatore con l’uso di un refrigeratore a diluizione. Gli schermi metallici del criostato sono a diverse temperature da 300 K al di sotto ~ 10 mK. La custodia contenente il TES è alla temperatura di 10 mK mentre l'amplificatore di lettura SQUID si trova a 80 mK per migliorare le proprie prestazioni di rumore. L’ingresso della radiazione a microonde nel criostato e quindi nel rivelatore TES, avviene tramite cavi coassiali. Il segnale di uscita a bassa frequenza proveniente dal SQUID è letto tramite linee DC convenzionali.

6 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma Piano finanziario originale sui tre anni previsti 1 Cryogen-free dilution refrigerator € 200.000 2 SQUID amplifiers € 40.000 3 mw Gunn oscillator radiation sources € 90.000 1 vector network analyser€ 100.000 6 mw NbTi superconducting coaxial cables€ 12.000 10 Tb disk storage€ 3.000 12 CPU (HS06 units)€ 6.000 2 software licences€ 5.000 3 Consumables€ 60.000 3 travel cost€ 45.000 3 publication cost€ 12.000 6 personnel per year € 25.000 € 150.000 Total € 723.000

7 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma SITUAZIONE ATTUALE 1 Un accordo di collaborazione tra i proponenti INFN e il CNR di Pisa per l’uso delle attrezzature del laboratorio NEST (Giazzotto) ha definito l’uso del refrigeratore a diluizione, delle camere pulite, egli evaporatori per lo sputtering. 2 Inoltre, la sezione di Roma1 sta procedendo all’acquisto di un refrigeratore a diluizione da mettere a disposizione di diversi gruppi sperimentali interessati. Questa situazione ha reso possibile che I due apparati (indispensabili per R&D) saranno utilizzati da: Roma 1 - per la caratterizzazione dello SQUID, da accoppiare al TES, e della antenna. Pisa - per lo sviluppo e la realizzazione del rivelatore TES

8 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma proposto TES sensor development with Tc< 20 mK 50 k€ 50 k € 1 - CONSUMABLE MATERIALS 20 k€ a - Sputtering Target e metalli da evaporazione, crogioli, resist (photo, EBeam), substrati e DIL ceramici b - 2 Cavi RF superconduttivi NbN 2 - ION GUN UHV per camera di evaporazione con la sua valvola a iniezione 15k€ 3 - Porta Campioni raffreddabile ad azoto liquido 15 k€ SW Licences 5 k€ 0 k € (Detailed simulation for the NEP, resolving power and the energy resolution) SQUID to be assembled to the TES to measure the noise 10 k€ 10 k € with Lock-in amplifier 5 k€ 5 k € Liquid Helium (we borrow a cryostat for 1 year) 10 k€ 6 k€+ SJ 4 k € Travel expenses 10 k€ 2 k € TOTALE90 k€ 73 k€ + sj 4 k€

9 Esperimento STAX - Rimodulazione e valutazione dei referees CSN5 - 12 e 13 gennaio 2016 - Roma PISA TES sensor development with Tc< 20 mK 50 k€ Liquid Helium 6 k€+SJ 4 k€ (per un criterio di ottimizzazione, Pisa gestisce anche le necessità di Roma1) NB Con 6 keuro sono possibili 20 test/cicli di riempimento da 15 litri di elio liquido. Missioni 1 k€ ROMA1 SW Licences 0 k€ (Detailed simulation for the NEP, resolving power and the energy resolution) SQUID to be assembled to the TES to measure the noise 10 k€ with Lock-in amplifier 5 k€ (we borrow a cryostat for Missioni1 k€ TOTALE73 k€ + sj 4k€