[論文レビュー] What's new in ALPS-II

Babette Döbrich|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

ALPS-IIは、DESYにおいて200mの光学キャビティを用いた次世代の光を壁の向こうに通す実験を提案しており、axion-like粒子や隠れた光子といった電子ボルト未満で弱く結合する粒子を探索する。周波数ロックされた共鳴器、超伝導HERA電磁石、および遷移エッジセンサー（TES）検出器を用いる。この実験は、axion-like粒子に対してALPS-Iと比べて3桁、隠れた光子に対しては2桁の感度向上を達成する予定であり、隠れた光子の初回データは2014年、axion-like粒子のそれは2017年を予想している。

ABSTRACT

This proceedings contribution gives a brief experimental update of the `Any light particle search (ALPS) -II' at DESY which will be sensitive to sub-eV, very weakly coupled particles beyond the Standard Model. First data on hidden sector photon parameter space through photon-hidden photon oscillations in vacuum is expected in 2014. Axion-like particle search (implying the installation of superconducting HERA magnets) could be realized in 2017.

研究の動機と目的

• 電子ボルト未満で弱く結合する標準模型を超えた粒子、例えばaxion-like粒子、ミニチャージド粒子、隠れた光子のパラメータ空間を探索すること。
• ALPS-Iの限界的な感度を克服するため、パワー・バックルームと効率的な光子再生を可能にする二重キャビティ共鳴器システムを導入すること。
• 超伝導電磁石を含む、使用していないHERA加速器インfraを活用し、高い磁場長さを実現することで、結合感度を向上させること。
• 低ノイズ環境下で単一光子感度を実現するための高度な光学的、磁気的、冷却技術を開発・検証すること。
• 段階的な実験プログラム（ALPS-IIa、IIb、IIc）を確立し、段階的に装置の全感度を検証・実装すること。

提案手法

• 周波数ロックされた生成用および再生用キャビティを備えた二重キャビティ共鳴器システムを採用し、自己干渉と再変換確率の向上を実現する。
• ALPS-IIの200mキャビティに150kWの循環パワーを実現し、高ファインネスの光学キャビティによるパワー・バックルームを実現する。これはALPS-Iの1kWと比較してのものである。
• 10+10の超伝導HERA電磁石を統合し、axion-like粒子およびミニチャージド粒子に対する感度向上のための磁場路長を延長する。
• アディアバティック脱磁化冷凍機（ADR）に接続されたSQUIDと結合した遷移エッジセンサー（TES）を用い、極めて低いダークカウントレートで単一光子検出を実現する。
• 「圧力プロップ」を用いた新しいビームパイプの補正技術を導入し、HERA電磁石の50mmの開口部を回復させ、完全なパワー・バックルームを実現するとともに、クリッピング損失を回避する。
• 単一モードファイバーへの1064nm光のファイバー結合を用い、80％以上の結合効率を達成し、TES検出器への信号効率的な供給を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数ロックされた二重キャビティシステムは、光の弱い結合粒子への振動変換過程における検出感度を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 高ファインネスのミラーとアクティブな安定化を備えた200mの光学キャビティ系で、最大でどの程度のパワー・バックルームが達成可能か？
• RQ3 HERA電磁石のビームパイプは、磁石の安定性を損なわせることなく、再可逆的に補正可能で、完全なパワー・バックルームに必要な開口部を回復できるか？
• RQ4 イオンゲッター・ポンプからの光放出によるバックグラウンドレベルはどの程度か？また、再生領域でチタン蒸発ポンプが代替として実用的か？
• RQ5 冷却環境下のADRでTESベースのシステムが達成可能な単一光子検出効率とノイズ性能はどの程度か？

主な発見

• ALPS-IIaフェーズでは、ハノーファーのAEIで10m+10mの光学キャビティの周波数ロックが成功裏に実現され、コアとなる光学安定化技術の妥当性が検証された。
• 1mのテストセットアップにより、振動制御された光学テーブル上でのミラー安定性が実現可能であることが確認され、10Hzまでに統合RMSノイズが数×10⁻⁹m程度に抑えることが可能となった。
• 「圧力プロップ」を用いたビームパイプ補正技術は、非機能的なPR電磁石およびALPS-Iの電磁石でも成功裏に実証され、複数回のクエンチサイクルに耐えた。
• ALPS-IIのビームパラメータに準拠したファイバー結合効率は80％以上を達成し、高い信号伝送効率が確認された。
• NISTおよびAISTの2つの遷移エッジセンサーがDESYで正常に統合・テストされ、すでにバックグラウンド研究が進行中である。
• 検出システムは2つのTESチャンネルを並列で動作可能であり、バックグラウンドのみのモニタリングと信号の識別性能向上が可能である。