Sintonizzazione a banda larga della frequenza di una cavità a microonde superconduttrice in Nb3Sn per la ricerca di materia oscura

Axions, hypothetical particles potentially constituting the light components of the galactic dark matter halo, interact very weakly with known standard model particles. Their interaction with the electromagnetic field is exploited in haloscopes, detectors where these particles are resonantly converted into cavity photons in the presence of an intense magnetic field. The signal is resonantly enhanced within a microwave cavity, with an amplification factor proportional to its quality factor, which can reach up to 10^5 with copper resonators. Significantly higher quality factors can theoretically be achieved with type II superconductors, which maintain superconductivity in strong magnetic fields due to their vortex state. In this thesis project, a high-Q cavity fabricated from a Nb3Sn film is characterized. It's designed with a specific geometry for use in high magnetic fields. The cavity's frequency can be tuned to probe different hypothetical particle masses using a clamshell mechanism, which involves the separation of two half-cells. The characteristic parameters of the cavity are investigated as the distance between the two halves varies, with the aim of realizing a cavity tunable over a wide frequency range without compromising the quality factor. Tests are conducted in a pulse-tube cooling system, which allows the resonator to be cooled to 3 K in a magnetic field of approximately 1 Tesla.

Gli assioni, particelle ipotetiche che potrebbero costituire le componenti leggere dell'alone di materia oscura galattica, interagiscono molto debolmente con le particelle note del Modello Standard. La loro interazione con il campo elettromagnetico viene sfruttata negli aloscopi, rivelatori in cui queste particelle si convertono in fotoni di cavità in presenza di un intenso campo magnetico. La sensibilità in questi esperimenti dipende dal fattore di qualità della cavità a microonde. Facendo uso di risonatori in rame, questo fattore può raggiungere un valore fino a 10^5. Fattori di qualità significativamente più elevati possono essere ottenuti con i superconduttori di tipo II, i quali mantengono la superconduttività anche in campi magnetici forti grazie al loro stato di vortice. In questo lavoro di tesi ho studiato una cavità ad alto Q, realizzata con un film di Nb3Sn, e progettata con una geometria specifica per l'utilizzo in campi magnetici elevati. La frequenza della cavità può essere regolata per sondare diverse masse ipotetiche di particelle utilizzando un meccanismo a conchiglia, che prevede la separazione tra due semicelle. I parametri caratteristici della cavità sono studiati al variare della distanza tra le due metà, con l'obiettivo di realizzare una cavità tunabile in un ampio intervallo di frequenze senza compromettere il fattore di qualità. I test sono condotti in un sistema di raffreddamento a tubo pulsato (pulse-tube), che permette al risonatore di essere raffreddato a 3 K in un campo magnetico di circa 1 Tesla.