WINTER

WINTER: Weak interacting slim particle INTERferometer

WINTER ist ein Freiraum-Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ, das ein externes Magnetfeld und Vakuum in einem der Arme vereint, wo die Photon-Axion-Mischung über den Primakoff-Effekt stattfindet und als kleine Amplitudenabnahme am dunklen Port detektiert wird. Das erwartete axioninduzierte Signal wird durch kontrollierte Polarisationsänderungen bei niedriger Frequenz (∼ 20 Hz) moduliert, wodurch eine potenzielle Amplitudenänderung von langsamen Driften und anderem instrumentellen Rauschen getrennt wird. Das Experiment ist so konzipiert, dass es einen Fabry–Pérot-Resonator mit einer Finesse von 10⁵ integriert. Dieser wird im Vakuum betrieben, wodurch sowohl die effektive Wechselwirkungslänge als auch die zirkulierende optische Leistung deutlich erhöht werden, während die Amplitudenmodulation zur interferometrischen Verriegelung genutzt wird.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus von WINTER unter Verwendung eines Freiraum-MZI zur Breitbanddetektion. Der Laserstrahl im freien Raum ist in rot dargestellt. Der empfindliche Arm des Interferometers befindet sich in einer Vakuumkammer mit einem 10 m langen FPC, der in einen Dipolmagneten mit 9 T und gleicher Länge integriert ist. Die Abkürzungen stehen für: elektrooptischer Modulator (EOM) mit Amplituden- (EOM-AM), Phasen- (EOM-PM) und Polarisationsmodulation (EOM-PC), Faraday-Isolator (FI), linearer Polarisator (LP), Signalgenerator (SG), Strahlteiler (BS), Fotodetektor (PD), Spiegel (M) und Tiefpassfilter (LPF).

An der Universität Hamburg befindet sich derzeit ein Prototyp im Inbetriebnahmestadium, der aus einer 1 Meter langen Permanentmagnetanordnung mit einer Feldstärke von etwa 1,2 Tesla, einem 1550-nm-Laser mit 2 W Leistung und einem vakuumgekapselten Fabry–Pérot-Resonator (F ∼ 3 &times 10⁴) besteht. Unter diesen Bedingungen wird WINTER über einen Zeitraum von etwa 30 Tagen die Axion-Photon-Kopplungen bis hinunter zu g_aγγ ≥ 7,1 × 10^-11 GeV^-1 bis zu ALP-Massen von etwa ∼ 996 µeV untersuchen.

Abbildung 4: Prognostizierte Empfindlichkeit für das WINTER-Experiment unter Verwendung der Magnetkonfigurationen des LHC und von ALPS-II sowie eines Prototyps, der derzeit an der Universität Hamburg gebaut wird.

Das Konzept ist von Natur aus skalierbar, wobei die Empfindlichkeit hauptsächlich durch die verfügbare Magnetlänge, die optische Leistung und die erreichbare Finesse des Resonators begrenzt wird. Die Erweiterung des Sensorarms auf Dipolmagnete vom LHC-Typ (Länge ∼ 10 m, Feldstärke ∼ 9 T) in Kombination mit einem Fabry-Pérot-Resonator hoher Finesse (F~105) bietet einen Weg, um Empfindlichkeiten von gaγγ ∼ 3,7×10−14 GeV−1 innerhalb derselben Architektur und desselben Analyserahmens zu erreichen.

Abbildung 5: Der Aufbauprozess des WINTER-Experiments mit Vakuumkammer.

• J.M. Batllori et al., “Broadband interferometry-based searches for photon–axion conversion in vacuum”, arXiv:2509.16725 (2025).

Möchtest du eine Abschlussarbeit (BSc/MSc) zu diesem Thema schreiben? Schau dir unsere Themenvorschläge an.