[论文解读] Proceedings, 11th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs (Axion-WIMP 2015)

G. Cantatore, A. Gardikiotis+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文介绍了KWISP光机电力传感器的校准及初步运行，该传感器旨在通过100 nm Si3N4膜上的辐射压力探测太阳轴子。利用调制泵浦光束进行绝对力校准，其热极限灵敏度达到1.5 × 10⁻¹⁴ N/√Hz，原型轴子斩波器实现了时间调制检测，初步太阳观测结果在噪声之上未发现显著信号。

ABSTRACT

The KWISP opto-mechanical force sensor has been built and calibrated in the INFN Trieste optics laboratory and is now under off-beam commissioning at CAST. It is designed to detect the pressure exerted by a flux of solar Chameleons on a thin (100 nm) Si$_3$N$_4$ micromembrane thanks to their direct coupling to matter. A thermally-limited force sensitivity of $1.5 \cdot 10^{-14}~\mbox{N}/\sqrt{\mbox{Hz}}$, corresponding to $7.5 \cdot 10^{-16}~\mbox{m}/\sqrt{\mbox{Hz}}$ in terms of displacement, has been obtained. An originally developed prototype chameleon chopper has been used in combination with the KWISP force sensor to conduct preliminary searches for solar chamaleons.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度力传感器，用于探测如轴子等弱相互作用粒子。
• 利用调制激光束的辐射压力，实现对力传感器的绝对校准。
• 实施轴子斩波器原型，通过掠入射反射调制轴子光束。
• 利用校准后的传感器与斩波器系统，开展初步太阳轴子搜寻。
• 探索与暗能量相关的轴子参数空间未被覆盖的区域。

提出的方法

• KWISP传感器采用法布里-珀罗腔结构，其中心悬挂有一片100 nm厚的Si3N4膜，用于探测由力引起的位移。
• 1064 nm的Nd:YAG激光激发腔体，而532 nm的泵浦光束通过辐射压力施加已知力以实现校准。
• 通过测量反馈回路的误差信号来检测膜的位移，调制频率接近膜的82.5 kHz共振频率。
• 轴子斩波器原型由旋转棱镜组成，根据入射角交替反射或透射轴子，实现振幅调制。
• 通过在太阳以掠入射角（0–20°）照射到膜面的时段内，记录40秒的误差信号功率谱，开展太阳轴子实验。
• 对每个谱计算信噪比（SNR），以搜索调制的轴子信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 KWISP力传感器是否能在室温环境下实现热极限力灵敏度？
• RQ2 轴子斩波器原型是否成功在适合探测的频率下调制轴子光束？
• RQ3 集成的传感器-斩波器系统是否能从热噪声中探测到太阳轴子信号？
• RQ4 通过泵浦光束激发测得的Si3N4膜的机械品质因数是多少？
• RQ5 当前实验配置下，轴子耦合的灵敏度阈值是多少？

主要发现

• KWISP力传感器在室温热极限下实现了1.5 × 10⁻¹⁴ N/√Hz的力灵敏度，对应7.5 × 10⁻¹⁶ m/√Hz的位移灵敏度。
• 通过泵浦光束校准谱中的峰值振幅，测得Si3N4膜的机械品质因数约为3000。
• 轴子斩波器原型已成功构建并实现最高50 Hz的转速，达到约200 Hz的斩波频率。
• 在每天约1.5小时的窗口期内，当太阳以0–20°的掠入射角照射到膜面时，开展了初步的太阳轴子实验。
• 未观测到显著的轴子信号，如图3所示SNR数据点的分散性表明，在斩波频率处无明显调制特征。
• 当与CAST的X射线望远镜集成后，该系统将能够进入轴子参数空间中尚未探索的区域。