ALPS-Experiment

Abbildung 79: Oben: Herzstuck des ALPS Experiment bei DESY ist ein supraleitenderHERA Magnet in der ehemaligen Magnetmesshalle 55. Das Foto zeigt auf der linken Seitedes Magneten die Laserhutte und auf der rechten Seite den Schrank mit dem Detektorauf-bau. Unten: Laseraufbau fur den ALPS Fabry Perot Resonator. Rechts ist der geschlosseneinfrarote Laser zusehen, dessen Frequenz in dem Kristall etwa in der Mitte des Bildes ver-doppelt wird. Die Reflexe des grunen Lichtes sind danach deutlich zu erkennen. Ganz linkserkennt man den in dem Resonator verstarkten Laserstrahl zum Magneten.

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Beteiligte Institute: DESY Hamburg, Albert-Einstein-Institut Hannover (AEI), Hamburger Sternwarte, LaserZentrum Hannover (LZH)

Sprecher:A. Lindner, DESY

Das ALPS-Experiment bei DESY sucht jenseitsdes Standardmodells nach neuen leichten Teilchen,die sehr schwach an Photonen koppeln. Mithilfeeines supraleitenden HERA Magneten und einessehr leistungsstarken Lasers wird die Produkti-on von sub-eV Teilchen in einemLicht durch dieWand Experiment untersucht. Das Experiment wur-de nach Vorlage des Letter-of-Intent [DESY 07-014]Anfang 2007 vom DESY Direktorium genehmigt.Der experimentelle Aufbau wurde kontinuierlichverbessert und in mehreren Datennahmeperiodenwurde die Leistungsfahigkeit des Experimentes un-tersucht. Im Jahre 2008 wurde erfolgreich ein Fa-bry Perot Resonator im HERA Magneten aufgebautund betrieben. Dieser wird derzeit weiter verbessert.Zusammen mit einem neuen Photondetektor kannALPS dann im Jahre 2009 die weltweit sensitivstenMessungen liefern und in einen bisher unerforsch-ten Parameterbereich dieser hypothetischen neuenTeilchen vorstoßen.

Die Suche nach neuen Teilchen jenseits des etablier-ten Standardmodells ist eine der spannendsten Fragender Teilchenphysik. Am LHC wird demnachst nachneuen Teilchen oberhalb der elektroschwachen Ska-la (≈ 100 GeV) gesucht. Populare Erweiterungen desStandardmodells, wie die Stringtheorie, legen aber auchdie Existenz von sehr leichten und nur sehr schwach anMaterie koppelnde Teilchen nahe. Diese werden oft-mals als WISP (Weakly InteractingSub-eV Particles)bezeichnet, im Gegensatz zu den schweren WIMP(Weakly InteractingMassiveParticles) Teilchen. Ne-

ben den Axion-artigen leichten Spin 0 Teilchen konntees auch leichte Spin 1 Teilchen, so genannteHidden-Sector-Photonenoder leichte minigeladene Teilchengeben. Es gibt aber keine genauen Vorhersagen uberdie Masse und Kopplungsstarken der WISP, weshalbexperimentelle Messungen, die den grosen Parameter-bereich einschranken, sehr willkommen sind. Mithilfesehr praziser Niederenergie-Experimente, die starkeelektromagnetische Felder und sehr hohe Photonen-flusse haben, wird nach diesen neuen Teilchen gesucht.Dabei erganzen Laborexperimente wie ALPS Ergeb-nisse aus Astrophysik und Kosmologie.

Bei ALPS, dem Axion-Like Particle Search Experi-ment bei DESY, wird mit einem starken Laserstrahlim hohen Magnetfeld des HERA Dipolmagneten nachneuen leichten Teilchen gesucht. Da das ALPS Expe-riment auch eine hohe Sensitivitat fur andere WISPTeilchen hat, steht die Abkurzung ALPS heute furAnyLight Particle Search. Mit einemLicht durch die WandExperiment wird indirekt nach der Produktion leich-ter Teilchen, die schwach mit Photonen wechselwirkengesucht. In der Mitte des Magneten ist eine lichtdich-te Wand. Vor der Wand konnen durch die Kopplungder Photonen mit dem Magnetfeld, dem so genann-ten Primakoff Effekt, neue Axion-artige leichte Teil-chen φ entstehen. Diese fliegen aufgrund ihrer sehrschwachen Wechselwirkung mit Materie ungehindertdurch die Wand und konnen sich nach dem Hindernismithilfe des umgekehrten Primakoff Prozesses wie-der in Photonen mit den ursprunglichen Eigenschaftenzuruck wandeln, die dann detektiert werden. Beim AL-

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PS Experiment werden zwei Vakuumrohren im Magnetbenutzt. Die laserseitige Rohre endet in der Magnetmit-te und das Laserlicht wird dort mit Hilfe eines einstell-baren Spiegels zuruckreflektiert. Die detektorseitigeVakuumrohre ist in der Mitte des Magnetes lichtdichtverschlossen – das ist die Wand, durch die das Lichtscheinen soll. In diesem symmetrischen Aufbau ist dieRate der rekonvertierten Photonen Rγ→φ→γ ∼ (BL)4.Diese Parameter sind durch den HERA Dipol definiert(B = 5.30 T, L= 4.21 m). Die Herausforderung desExperimentes liegt in den extrem niedrigen Umwand-lungswahrscheinlichkeiten. Das ALPS Experiment willeinzelne zuruckgewandelte Photonen aus 1022 primarenPhotonen nachweisen. Um dies zu erreichen, ist einsehr leistungsstarker Laser und ein sehr empfindlicherrauscharmer Detektor notwendig.

Ein erster erfolgreicher Probebetrieb des komplettenAufbaus wurde im Herbst 2007 mit einem grunen(532 nm) 3.5 W Laser durchgefuhrt. Als Photonde-tektor wurde die in der Amateurastronomie vielfachbenutzte CCD Kamera SBIG ST-402 verwendet. Eswurde gezeigt, dass der Laserspot auf wenige Pixel(9 µm × 9 µm) fokussiert werden kann. Es wurdedie prinzipielle Machbarkeit des Experimentes gezeigtund es konnte bereits eine Photonzahlrate von mehrals 80 MHz ausgeschlossen werden. Um Parameterbe-reiche zu untersuchen, die bisher experimentell nichtzuganglich sind, musste die Leistungsfahigkeit desExperimentes durch einen empfindlicheren Photonde-tektor und hohere Laserleistungen verbessert werden.

Hierzu wurde Ende 2007 in einem ersten Schritt einneues sehr leistungsfahiges Lasersystem, analog zudem beim Gravitationswellen-Experiment (LIGO) ein-gesetzten, aufgebaut. Die Frequenz des hierbei erzeug-ten infraroten gepulsten Laserlichtes (1064 nm, 45 W)wurde in einem Kristall verdoppelt, so dass dem ALPSExperiment dann 14 W grunes Laserlicht zur Verfugungstanden – das sind etwa 4·1019 Photonen je Sekunde.Wahrend einer intensive Test- und Betriebsphase imFruhjahr 2008 wurden mehr als 100 h Daten mit Laserund eingeschaltetem Magneten aufgenommen und ana-lysiert. Um den Einfluss des Ausleserauschens geringzu halten wurden Aufnahmezeiten von 20 min oder 1 hgewahlt. Nach der Korrektur der Drift der CCD ent-

Abbildung 80: Der 8.6 m lange optische Resonatorim HERA-Dipol Magneten im Betrieb: Oben: Der Re-sonator ist nicht abgestimmt und nur der primare La-serstrahl ist sichtbar. Mitte: Der Resonator ist abge-stimmt, aber nicht elektronisch geregelt. Zufallig erge-ben sich durch die Langenfluktuationen des Resona-tors Konfigurationen, die fur wenige Millisekunden dasLicht verstarken. Unten: Die Frequenz des Laserlichtswird nachgeregelt, um die Langenfluktuationen des Re-sonators auszugleichen. Deutlich ist die Verstarkungdes primaren Laserlichts sichtbar.

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Abbildung 81: ALPS Detektoraufbau: von rechts ist die CCD Kamera PIXIS 1024-BL andie Detektorbox angebaut. In grun ist der Referenz-Strahlengang eingezeichnet, in rot derStrahlengang der rekonvertierten Photonen.

sprechen die Fluktuationen der einzelnen Pixel genauden Erwartungen aufgrund von Dunkelstrom und Aus-leserauschen. Als Messsignal wurde die Summe von3× 3 Pixelwerten in der Signalregion verwendet, dasdann mit dem Signal aus Dunkelaufnahmen verglichenwird. Hiermit konnte eine Sensitivitat fur die Photon-regeneration des ALPS Experimentes Pγ→φ→γ ≈ 10−21

erreicht werden.

Um den Photonfluss und damit die Empfindlichkeit desExperimentes weiter signifikant zu erhohen wurde imJahre 2008 zusammen mit den neuen Kollaborations-mitgliedern vom Albert-Einstein-Institut erfolgreichein optischer Resonator in der ersten Halfte des HERAMagneten aufgebaut. Ein vom Laserzentrum Hannoverfur Gravitationswellen-Experimente entwickelter Laserliefert etwa 35 W infrarotes Laserlicht (1064 nm) mitexzellenten Strahleigenschaften. Dieses wird in einemKristall in etwa 0.7 W grunes (532 nm) Laserlicht kon-vertiert, das dann in den 8.62 m langen Fabry-PerotResonator eingekoppelt wird. Der außere Spiegel desResonators befindet sich auf dem optischen Tisch in derLaserhutte, der innere Spiegel am Ende des laserseiti-

gen Strahlrohres. Mithilfe der Anpassung der Frequenzdes Lasers werden Langenfluktuationen des Aufbaus sokompensiert, dass zwischen diesen beiden Spiegeln ei-ne koharenteUberlagerung der Lichtwellen und damiteine Verstarkung der Laserleistung in der resonantenCavity stattfindet. Es wurde eine Leistungsverstarkungvon etwa 40 und damit eine effektive Leistung im Re-sonator von uber 30 W erreicht. Dies entspricht denErwartungen aufgrund der Gute des Resonators, diedurch die Verluste, in den beiden Fenstern des evaku-ierten laserseitigen Strahlrohres zwischen den beidenSpiegeln des Resonators, limitiert ist.

Abbildung 80 demonstriert den Betrieb des Resona-tors. Fotografiert sind jeweils die 0.017% des Lichts,welches durch den Spiegel in der Mitte des Magnetenscheinen. Der schwachere Lichtfleck in dem unterenBild entsteht durch Mehrfachreflexionen in dem Spie-gel in der Mitte des Magneten.

Der sehr erfolgreiche erste Schritt, in dem gezeigt wur-de, dass der stabile Betrieb eines optischen Resonatorsin diesem Umfeld auch mit eingeschaltetem Magnetfeld

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moglich ist, wurde Ende 2008 mit einer kurzen Daten-nahmeperiode abgeschlossen.

Als nachster Schritt zur Erhohung der Leistungsfahig-keit wurde Anfang 2009 erfolgreich eine zweite reso-nante Cavity um den Frequenzverdopplungskristall auf-gebaut und zusammen mit dem optischen Resonator imMagneten stabil betrieben.

Damit wird eine Verbesserung der rot grun Konversi-on und eine Erhohung der grunen Laserleistung um et-wa einen Faktor 10 angestrebt. Ein weiter Schritt zurLeistungssteigerung wird zurzeit vorbereitet. Zur Ver-meidung der Verluste an den Fenstern des laserseiti-gen Strahlrohres werden nun die Spiegel des Resona-tors in das Vakuumsystem gebracht. Hierdurch wird ei-ne Erhohung der Leistungsverstarkung um eine weitereGroßenordnung erwartet.

Parallel dazu wurde der Aufbau auf der Detektorseiteim Laufe des letzten Jahres wesentlich verbessert. Dieoptischen Komponenten wurden mechanisch stabileraufgebaut und sind jetzt einfacher justierbar. Der Re-ferenzstrahl wird in der Detektorbox auf die Kameragefuhrt und erlaubt eine pixelgenaue Kontrolle des Al-lignments (siehe Abbildung 81). Im letzten Jahr wurdeeine neue Kamera, eine PIXIS 1024-BL angeschafft.Diese hat eine hohe Quanteneffizienz und ein niedrigesAusleserauschen. Sie wird bei -70◦C betrieben undhat dann einen sehr geringen Dunkelstrom. Damit wirddie Leistungsfahigkeit des ALPS Experimente um ei-ne weitere Großenordnung verbessert. Damit hat dasALPS Experiment das Potential, im ersten Halbjahr2009 die weltweit empfindlichsten Messungen durch-zufuhren.

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