WISPDMX

WISPDMX: WISP Dark Matter eXperiment

WISPDMX ist ein Hohlraum Haloskop, das auf 'Hidden-Photon' Dunkle Materie (HP) im Sub- μeVμ) Bereich abzielt und ursprünglich konzipiert wurde, um mit einem großvolumigen Kupferresonator mit hohem Q-Faktor den Bereich von 0,8 bis μeVμ) abzudecken. Das Experiment nutzt einen 208 MHz HERA Hochfrequenzresonator und die resonante Verstärkung der Photonenproduktion durch kinetische Vermischung, wobei mehrere elektromagnetische Moden (TM₀₁₀, TM₀₂₀, TE₁₁₁) über einen breiten Frequenzbereich abgetastet werden. Parallel zum schmalbandigen Resonanzbetrieb ermöglicht die Auslesekette eine breitbandige Erfassung bei 500 MHz mit hoher spektraler Auflösung, wodurch mehrere Moden gleichzeitig abgedeckt werden können.

Das Gerät kombiniert die Standardmesstechnik für HF-Resonatoren (Reflexions-/Transmissions-S-Parameter, belastetes Q, Kopplung) mit einer rauscharmen heterodynen Auslesekette, die sowohl einen Spektrumanalysator als auch einen hochauflösenden Digitalisierer speist. Das gemittelte Spektrum des ersten physikalischen Durchlaufs (61 Stunden) erreichte eine nachweisbare Mindestleistung von etwa 5×10^-22 W. Anhand dieser Spektren legte WISPDMX Grenzen für die kinetische Vermischung versteckter Photonen auf dem Niveau von χ ≈ 10^-13 bei Resonanz und χ ≈ 10^-12 im Breitbandbereich zwischen 0,2–2.07 μeV fest, wobei die Empfindlichkeit bei Massen unter 0,2   μeV stetig abnimmt. Die ersten wissenschaftlichen Daten von WISPDMX haben weltweit führende, auf Resonanzhohlräumen basierende Grenzwerte für versteckte Photonen in diesem Bereich festgelegt.

Durch die Kopplung des WISPDMX-Resonators an ein starkes Magnetfeld, z. B. im Inneren eines Magneten mit hohem Feldwert wie dem Morpurgo-Magneten des CERN, wäre es zudem möglich, Axion- und ALP-Suchen unter Nutzung der bestehenden Infrastruktur durchzuführen. Derzeit wird WISPDMX auch als Experiment im Rahmen eines fortgeschrittenen Laborkurses an der Universität Hamburg eingesetzt und bietet praktische Übungen zur Präzisionsinstrumentierung von HF-Resonatoren, zur Kalibrierung und zur breitbandigen Spektralanalyse im Zusammenhang mit der Detektion von Dunkler Materie.

Abbildung 13 Oben: Ein Foto des WISPDMX-Experiments mit dem 208 MHz Resonanzhohlraum und zwei modifizierten Kolben. Unten: Das Foto der Innenfläche des Hohlraums. Die Oberfläche ist poliert, um eine hohe elektromagnetische Reflexion zu gewährleisten und man erkennt die beiden für die Strahlführung vorgesehenen Nasenkonen.

Abbildung 14 Ausschlussgrenzen für dunkle Materie in Form versteckter Photonen in Abhängigkeit von der kinetischen Vermischung und der Masse. Der von WISPDMX ausgeschlossene Bereich ist grün dargestellt und deckt den Bereich von 0,8 bis 2 μeV ab. Dazu wird ein Vergleich mit anderen Haloskop- und astrophysikalischen Einschränkungen über das gesamte Massenspektrum dunkler Photonen gezeigt.

Ausgewählte Präsentationen und Publikationen

• Nguyen, Le Hoang et al., WISPDMX: A haloscope for WISP Dark Matter between 0.8–2 μeV, 11th Patras Workshop on Axions WIMPs and WISPs. DOI: 10.3204/DESY-PROC-2015-02/nguyen_lehoang
• Nguyen, Le Hoang et al., First results from the WISPDMX radio frequency cavity searches for hidden photon dark matter, JCAP 10 (2019) 014. DOI: 10.1088/1475-7516/2019/10/014 

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