Design of resonant structures and tuning systems for performance enhancement in dark matter axions and gravitational waves detection experiments
[SPA] Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y optimización de dispositivos para la detección de axiones de materia oscura y su posible aplicación a la detección de ondas gravitacionales. La detección del axión es clave para resolver dos grandes enigmas de la física moderna: la naturaleza de la materia oscura y el problema CP fuerte. Para ello, se emplean haloscopios, cavidades resonantes en tecnología de guía de onda que requieren imanes de alto campo magnético y temperaturas criogénicas para maximizar la conversión de axiones en fotones y reducir el ruido de la señal. Estos dispositivos también pueden utilizarse en la detección de ondas gravitacionales, cuya existencia fue predicha por Albert Einstein y cuya primera detección en frecuencias bajas se logró recientemente. Se espera que fenómenos cósmicos generen ondas gravitacionales de alta frecuencia, donde los haloscopios podrían desempeñar un papel clave. Durante esta tesis se han diseñado haloscopios para dos experimentos en las bandas UHF y W, ya que la masa del axión determina la frecuencia de operación. Se ha trabajado en sistemas de sintonización que permitan ajustar la frecuencia de detección sin comprometer los parámetros clave del experimento, explorando la sintonización mecánica, basada en placas giratorias y paredes deslizantes, y la sintonización eléctrica, utilizando grafeno y diodos varactores. La sintonización mecánica ha sido simulada y probada experimentalmente con buenos resultados, mientras que la eléctrica, aunque prometedora, aún enfrenta retos tecnológicos. Otras líneas de investigación incluyen el uso del método electromagnético modal BI-RME3D para analizar la potencia generada por el axión en cavidades de banda W y el estudio de la influencia de la direccionalidad del campo axiónico en la potencia detectada según la posición del haloscopio. También se ha mejorado un haloscopio coaxial con geometría hexagonal mediante el concepto de multicavidad para aumentar su volumen sin afectar su frecuencia de resonancia. Además, se han explorado estrategias innovadoras como el uso de un superconducting transmon qubit, un detector de fotones cuántico que mejora la relación señal/ruido al detectar fotones individuales, y los haloscopios de plasma, que permiten aumentar el volumen de la cavidad manteniendo una frecuencia de resonancia alta. Se ha realizado un análisis paramétrico sobre la posición del transmon qubit en un sistema qubit-cavidad y su impacto en los parámetros de ambos componentes, así como simulaciones de haloscopios de plasma para evaluar su rendimiento. Las investigaciones de esta tesis aportan avances significativos en el diseño y aplicación de haloscopios para la detección de axiones y ondas gravitacionales, optimizando su funcionamiento y ampliando su aplicabilidad en la física experimental[ENG] This PhD thesis focuses on the development and optimisation of devices for the detection of dark matter axions and their possible application to the detection of gravitational waves. The detection of the axion is key to solving two great enigmas of modern physics: the nature of dark matter and the strong CP problem. To this end, haloscopes, resonant cavities in waveguide technology that require high magnetic field magnets and cryogenic temperatures to maximise the conversión of axions into photons and reduce signal noise, are used. These devices can also be used in the detection of gravitational waves, whose existence was predicted by Albert Einstein and whose first detection at low frequencies was recently achieved. Cosmic phenomena are expected to generate high-frequency gravitational waves, where haloscopes could play a key role. During this thesis, haloscopes have been designed for two experiments in the UHF and W bands, as the axion mass determines the operating frequency. Work has been done on tuning systems that allow to adjust the detection frequency without compromising the key parameters of the experiment, exploring mechanical tuning, based on rotating plates and sliding walls, and electrical tuning, using graphene and varactor diodes. Mechanical tuning has been simulated and experimentally tested with good results, while electrical tuning, although promising, still faces technological challenges. Other lines of research include the use of the BI-RME3D modal electromagnetic method to analyse the power generated by the axion in W-band cavities and the study of the influence of the axion field directionality on the detected power depending on the position of the haloscope. A coaxial haloscope with hexagonal geometry has also been improved using the multicavity concept to increase its volume without affecting its resonance frequency. In addition, innovative strategies have been explored such as the use of a transmon qubit, a quantum photon detector that improves the signal-to-noise ratio by detecting single photons, and plasma haloscopes, which allow the volume of the cavity to be increased while maintaining a high resonance frequency. A parametric analysis of the position of the superconducting transmon qubit in a qubit-cavity system and its impact on the parameters of both components has been performed, as well as simulations of plasma haloscopes to evaluate their performance. The research in this thesis provides significant advances in the design and application of haloscopes for axion and gravitational waves detection, optimising their performance and extending their applicability in experimental physics.
Tecnología de las comunicaciones, Enlaces de microondas, Electromagnetismo, Ondas electromagnéticas, Astrofísica nuclear, Partículas (Física nuclear)
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