[論文レビュー] Design of the ALPS II Optical System

M. Diaz-Ortiz, J. R. Gleason+16 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、光の壁を通り抜ける実験におけるアクシオン様粒子からの光子再生を強化するために、2つの122 mの高ファインネス光学キャビティと24個の超伝導ダイポール磁石を用いたALPS II光学系の設計を提示する。このシステムは、アクシオン-光子結合定数に対して2 × 10⁻¹¹ GeV⁻¹の感度を達成し、前例の実験と比較して1,000倍以上の感度向上を実現する。

ABSTRACT

The Any Light Particle Search II (ALPS II) is an experiment currently being built at DESYin Hamburg, Germany, that will use a light-shining-through-a-wall (LSW) approach to searchfor axion-like particles. ALPS II represents a significant step forward for these types of experi-ments as it will use 24 superconducting dipole magnets, along with dual high-finesse, 122 m longoptical cavities. This paper gives the first comprehensive recipe for the realization of the idea,proposed over 30 years ago, to use optical cavities before and after the wall to increase the powerof the regenerated photon signal. This concept will allow the experiment to achieve a sensitivityto the coupling between axion-like particles and photons down to g$_{αγγ}$ = 2 × 10$^{−11}$ GeV$^{−1}$ formasses below 0.1 meV, more than three orders of magnitude beyond the sensitivity of previouslaboratory experiments. The layout and main components that define ALPS II are discussedalong with plans for reaching design sensitivity. A set of top level requirements for the sub-systems is also provided for the first time and includes the requirements on the coherence andspatial mode matching of the cavity eigenmodes. An accompanying paper (Hallal, et al [1]) of-fers a more in-depth description of the heterodyne detection scheme, the first of two independentdetection systems that will be implemented in ALPS II.

研究の動機と目的

• アクシオン様粒子を探索するための高感度光学系をALPS IIの光の壁実験に設計すること。
• アクシオンから光子への変換によって生じる極めて微弱な再生光子信号を検出する課題を克服すること。
• 0.1 meVのアクシオン質量未満のアクシオン-光子結合定数に対して、前回の実験を3桁以上上回る感度を達成すること。
• 再生光子信号を増幅するために、壁の前後で二重の高ファインネス光学キャビティを実装すること。
• HERAトンネル環境における冷却および振動に敏感な条件下でも、光学系のモードマッチングと安定性を確保すること。

提案手法

• 光学系は、ファインネス > 10⁴ を満たす2つの122 mの長さの高ファインネス光学キャビティを用い、有効レーザー出力を増大させ、再生光子信号を増幅する。
• 位相検出ホモダイン（PDH）および差分波面センシング（DWS）技術を用いて、波長未満の感度でレーザーおよびキャビティモードの監視と安定化を実施する。
• キャビティのエンドミラーおよび内部光学部品は、屈折と横方向シフトを最小限に抑えるために、正確に制御されたウェッジ角度（3–5 µrad）を持つ熔融石英で作られている。
• 基板を時計回りに配置することでビームアライメントを最適化し、累積的な横方向シフトを低減させ、総合的なビーム偏光を3 µrad未満、横方向シフトを4 µm未塔に制限する。
• 再生光子の二重独立検出を実現するために、ヘテロダイン検出方式（HET）と遷移エッジセンサ（TES）を用いる。
• 光学配置により、透過レーザービームとアクシオン誘起場とのモードマッチングを確保し、不一致の不確実性を0.4%未塔に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長基準（122 m）および冷却環境下で、高ファインネス動作を実現するための光学キャビティの設計と安定化はどのように行うか？
• RQ2 基板のウェッジ効果に起因するビームのずれと角度のずれを最小限に抑えるために、光学部品の最適な配置は何か？
• RQ3 透過レーザービームの空間モードをアクシオン誘起モードにマッチングさせることで、信号検出効率を最大化するにはどうすればよいか？
• RQ4 機械的および熱的摂動にさらされた状況下でも、キャビティおよびレーザーモードのアライメントを維持するために必要なセンシングおよび制御技術は何か？
• RQ5 この光学系設計によって、アクシオン-光子結合定数に対してどの程度の感度が達成可能か？

主な発見

• ALPS II光学系は、0.1 meV未満のアクシオン質量に対して、2 × 10⁻¹¹ GeV⁻¹の予想される感度を達成する。
• 2つの122 mの高ファインネス光学キャビティの使用により、前回のLSW実験と比較して、有効レーザー出力および再生信号が6桁以上増加する。
• 基板のウェッジ効果に起因する総合的なビーム偏光は3 µrad未塔に抑えられ、横方向シフトは4 µm未塔に抑えられ、高いモードマッチングが確保される。
• レーザービームとアクシオン場との間のモード不一致の不確実性は0.4%未塔であり、信頼性の高い信号の定量が可能になる。
• 20日間の科学データのみで、95%信頼水準でアクシオンを検出可能に設計されている。
• 光学設計はヘテロダインおよびTES検出方式を両方サポートしており、相互確認が可能で感度が向上する。