WISPFI
WISPFI: Weakly Interacting Sub-eV Particles searches on a Fiber Interferometer
WISPFI ist ein modellunabhängiges Tischgerät zur Suche nach Axionen, das ein Mach-Zehnder Interferometer nutzt, dessen Messarm mit einer Hohlkern-Photonenkristallfaser (HC-PCF) ausgestattet ist. Im vollständigen Aufbau arbeitet das Interferometer mit Amplitudenverriegelung, während ein optischer Schalter mit 100 kHz zwischen zwei Schmalbandlasern bei 1535 nm und 1570 nm wechselt. Da nur eine Wellenlänge mit der HC-PCF in Resonanz steht, was die Bedingung neff < 1 für eine gegebene Axionmasse erfüllt, findet die Photon-Axion-Konversion (beobachtet als Amplitudenverlust) nur während des entsprechenden Halbzyklus statt. Dies führt zu einer synchronen Amplitudenmodulation bei 100 kHz, die in der speziellen Amplitudenauslesung erfasst wird, was eine hochempfindliche Detektion von ma = ω &radic{(1 - neff2)} ermöglicht und die Fähigkeiten von standardmäßigen Dielektrikumfasern übertrifft.
Der Prototyp, der derzeit an der Universität Hamburg in Betrieb genommen wird, koppelt einen 2 W Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm in einen 1 m langen HC-PCF Abschnitt ein, der in ein Permanentmagnetfeld von etwa 2 T eingebettet ist. In dieser Prototypenphase arbeitet das Interferometer mit Phasenverriegelung. Ein vollautomatisches, Python-basiertes Datenerfassungssystem überwacht und protokolliert kontinuierlich Polarisation, Laserwellenlänge, Strahlprofil, Temperatur und Luftfeuchtigkeit und ermöglicht so einen stabilen, unbeaufsichtigten Langzeitbetrieb. Der Prototyp soll über einen Zeitraum von 30 Tagen bei ma ≈ 48 meV einen gaγγ ≥ 1,3 × 10-9 GeV-1 erreichen, was WISPFI zur ersten Tisch-Experiment für ALPs macht, das in der Lage ist, diesen unerforschten Massenbereich auf eine von der Dunklen Materie unabhängige Weise zu untersuchen.
WISPFI ist skalierbar ausgelegt. Die Druckanpassung des Gases im Inneren des HC-PCF ermöglicht ein systematisches Massenscannen zwischen etwa 10–150 meV, während ein integrierter Fabry–Pérot Resonator im Sensorarm die effektive optische Leistung und die Wechselwirkungslänge erhöht. Dies schafft einen Weg vom Tischprototyp zu einer WISPFI-Implementierung in Originalgröße, die in der Lage ist, das QCD Axionband zu untersuchen und DFSZ-Empfindlichkeit in einem bislang unerforschten Massenbereich zu erreichen.
Abbildung 1 Oben: Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) aufgenommene Abbildung eines HC-PCF mit einem Kernradius von 8,5 μm. Unten: Finite-Elemente Methode FEM Simulation (COMSOL), die die Modenfeldverteilung für ein vereinfachtes HC-PCF Modell mit einem Kernradius von 8,5 μm, einem Verhältnis von Kapillar- zu Kernradius von 0,682 und einer Wellenlänge von 1,55 μm zeigt. Der rot gefärbte Bereich im Hohlkern stellt die Intensitätsverteilung des elektrischen Feldes dar und veranschaulicht die auf den Kern beschränkte Ausbreitungsmode.
Abbildung 2 Foto des WISPFI-Prototyps während der Inbetriebnahme an der Universität Hamburg. Die optischen Freiraumwege sind rot dargestellt, während der HC-PCF im Sensorarm innerhalb des Magnetfelds blau dargestellt ist.
Abbildung 3 Im Rahmen der Kopplung vom freien Raum auf die Faser für das WISPFI-Experiment strahlt eine rote Lichtquelle durch eine Hohlkern Photonenkristallfaser (HC-PCF).
Ausgewählte Vorträge und Veröffentlichungen
- J.M. Batllori et al., “Searching for weakly interacting sub-eV particles with a fiber interferometer in a strong magnetic field”, Phys. Rev. D 109, 123001 (2024). doi:10.1103/PhysRevD.109.123001
- J.M. Batllori et al., “WISPFI Experiment: Prototype Development”, in Proc. 19th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs (2025). arXiv:2510.01221
- M. Maroudas, “WISPFI: Towards a Magnet Assisted Fiber Interferometer Search for Axionlike Particles”, 19th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs, Granada, 2025. https://agenda.infn.it/event/45898/contributions/271430/<;/a>
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