[论文解读] ALPS II technical overview and status report

Aaron Spector|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 9

一句话总结

ALPS II 是一项下一代‘光穿墙’实验，采用双共振光学腔——产生腔与再生腔——以增强对弱相互作用亚电子伏特粒子（WISPs），特别是轴子样粒子和隐光子的探测灵敏度。通过使用100米长的腔体，功率累积因子达40,000，并结合双频稳定技术，ALPS IIc 对质量低于10⁻⁴ eV 的粒子耦合常数的探测灵敏度可达到 gaγ ≳ 2 × 10⁻¹¹ GeV⁻¹。

ABSTRACT

The Any Light Particle Search II (ALPS II) is an experiment that utilizes the concept of resonant enhancement to improve on the sensitivity of traditional light shining through a wall style experiments. These experiments attempt to detect photons passing through an opaque wall by converting to relativistic weakly interacting sub-eV particles and then reconverting back to photons. ALPS II at DESY in Hamburg, Germany will use dually resonant optical cavities before and after the wall to increase the probability of this interaction occurring. This paper gives a technical overview and status report of the experiment.

研究动机与目标

• 开发并测试双共振光学腔系统，以在光穿墙实验中提升对 WISP 的探测灵敏度。
• 实现亚皮米量级的镜面位置控制，以实现产生腔与再生腔之间的共振频率匹配。
• 展示采用过渡边缘传感器（TES）与外差干涉测量技术的单光子探测能力，实现低本底信号测量。
• 在全尺寸 ALPS IIc 部署前，通过 ALPS IIa 验证技术可行性，该系统配备超导磁体。
• 实现迄今为止对质量大于 5 × 10⁻⁵ eV 的隐光子及质量低于 1 meV 的轴子样粒子的最灵敏探测。

提出的方法

• 采用波长为 1064 nm 的激光系统，输入功率为 35 W，产生腔（PC）内功率累积因子达 5000。
• 利用二次谐波产生（SHG）晶体将产生腔输出光频率倍频，以实现与再生腔（RC）的光学隔离。
• 采用反馈控制系统，通过调节激光频率和压电镜面执行器，稳定产生腔与再生腔的共振。
• 通过安装在中央光学平台（CBB）上的镜面，将双腔共振稳定在 2 Hz 以内，并保持光场模式重叠。
• 采用两种独立的探测方案：利用过渡边缘传感器（TES）进行单光子能量测量，以及采用相位跟踪的外差探测技术。
• 使用来自 HERA 的 5.3 T 超导磁体，以 10 个磁体为一组排列，提供 466 T·m 的磁感应强度长度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具备亚皮米稳定性的双共振光学腔能否实现对 WISP 到光子转换的共振增强？
• RQ2 TES 与外差探测系统能否实现足够的能量分辨率与本底抑制，以实现单光子探测？
• RQ3 在防止产生腔光泄漏至再生腔的前提下，能否同时稳定产生腔与再生腔的频率与光场模式？
• RQ4 ALPS IIc 对亚电子伏特质量范围内轴子样粒子耦合常数（gaγ）的探测灵敏度能达到何种水平？
• RQ5 ALPS IIa 的技术系统能否成功验证光学与控制子系统，为全尺寸 ALPS IIc 的部署铺平道路？

主要发现

• 20 米测试腔实现了 1,010 的功率累积因子，证明了长基线腔体稳定性的可行性。
• 频率噪声被抑制至单位增益频率 55 kHz，实现了长达 48 小时的稳定共振。
• 中央光学平台（CBB）上的镜面对准精度优于 5 µrad，满足 ALPS IIa 的技术要求。
• 预计 TES 探测效率将超过 30%，能量分辨率优于 0.1 eV，NIST 标定结果表明在 0.29 eV 分辨率下效率可达 95%。
• 两台 HERA 磁体成功完成去弯曲操作并正常运行，验证了 ALPS IIc 所需磁体准备工作的可行性。
• 理论灵敏度分析表明，ALPS IIc 可探测到 gaγ ≳ 2 × 10⁻¹¹ GeV⁻¹ 的耦合常数，适用于质量低于 10⁻⁴ eV 的粒子。