Optical design and optimized readout of a light shining through a wall experiment in particle physics
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
"Light Shining through a Wall (LSW)" Experimente sind verglichen mit modernen Teilchenbeschleunigern eine relativ kostengünstige Methode, um astrophysikalisch motivierte neuartige Teilchen, sogenannte „weakly interacting slim particles“ (WISPs), zu entdecken. In LSW Experimenten wird auf einer Seite einer lichtundurchlässigen Wand ein möglichst intensives Lichtfeld durch ein möglichst starkes Magnetfeld geschickt um damit WISPs zu erzeugen. Die WIPSs bewegen sich in Richtung der Wand und können diese nahezu ungehindert durchdringen. Auf der anderen Seite der Wand wird entlang der Ausbreitungsrichtung der potentiellen WISPs ebenfalls ein starkes Magnetfeld erzeugt, in dem die WISPs in Licht zurückkonvertieren. Dieses immens schwache Lichtfeld gilt es zu detektieren und damit die WISPs nachzuweisen. Da die WISPs Erzeugung und deren Rekonversion mit der Magnetfeldstärke und der Wechselwirkungslänge skaliert, werden im ALPS LSW Experiment Wechselwirkungsstrecken von etwa 100m und Magnetfelder von 5 Tesla angestrebt. ALPS befindet sich zurzeit am DESY im Aufbau. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine entscheidende zentrale Komponente von ALPS, das sogenannte „central breadboard“ (CB) entwickelt und getestet. Sowohl für die effektive Erzeugung der WISP als auch für den möglichst empfindlichen Nachweis des Lichts hinter der Wand werden auf beiden Seite optische Resonatoren benötigt. Die Länge dieser Resonatoren muss mit Picometer Genauigkeit stabilisiert werden und ihre optischen Achsen müssen mit Mikro-Radiant Winkelpräzision übereinstimmen. Dies ist zu gewährleisten ohne das Licht der Messwellenlänge auf der Regenerationsseite zur Erzeugung von Fehlersignalen der nötigen Regelkreise verwendet wird. In ALPS sollen diese Anforderungen durch die Verwendung von mechanisch hochstabilen Halterungen für die, auf dem CB montierten Resonatorspiegel und für hochempfindlichen Quadrantenphotodetektoren (QPDs) erreicht werden. Die rauscharmen QPDs dienen zur Bestimmung der Strahllage auf den Resonatorspiegeln und wurden, ebenso wie die mechanisch stabilen Spiegelmontierungen, in diesem Projekt entwickelt. Mittels 1m langen Testresonatoren auf beiden Seiten des CB konnte der nötige Überlapp der räumlichen Resonatormoden sowie die Langzeitstabilität der CB Komponenten gezeigt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird die Fertigung und Kontrolle des finalen ALPS CBs in naher Zukunft beginnen. Ferner war ursprünglich geplant, eine Frequenzverdopplungseinheit auf dem CB zu integrieren. Ein solches CB wurde gefertigt und am DESY in einen ALPS Prototypen mit 10m langen Resonatoren integriert. Basierend auf den dort gewonnenen Erkenntnissen wurde von einer Frequenzverdopplung auf dem CB Abstand genommen und ein neues CB Design entwickelt.
Publications
- The 3rd LeCosPA Symposium, National Taiwan University, Taipei, Taiwan, November 2017 "Fundamental physics with high-power continuous-wave lasers: gravitational wave detection and axion-like particle search"
Li-Wei Wei
- 14th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs (Hamburg, June 2018) “Changes in effective points of reflection in the ALPS II regeneration cavity”
D. Schmelzer
- DPG-Tagungen (Erlangen, 5.03.2018) "The 1-m-Prototype for Any Light Particle Search (ALPS) experiment"
K. Karan
