WISPLC

WISPLC: Weak Interacting Slim Particle searches with an LC circuit

WISPLC basiert auf der Lumped-Element-Technik, bei der der durch Axionen induzierte effektive Strom in einem starken Magnetfeld ein kleines toroidales Magnetfeld erzeugt. Dieses wird durch eine supraleitende Pickup-Schleife aufgenommen und über einen resonanten LC-Schaltkreis ausgelesen. WISPLC zielt auf Dunkle-Materie-Axionen und axionähnliche Teilchen im Niedrigmassenbereich von ∼ 4 × 10⁻⁹ bis 4 × 10⁻⁸ eV (ab ∼ 1 bis 10 MHz).

Der Betrieb ist sowohl in einer breitbandigen induktiven Konfiguration als auch in einem resonanten Hoch-GQ-Modus vorgesehen, bei dem der LC-Schaltkreis den axioninduzierten Strom voraussichtlich um etwa ∼ 10⁴ verstärkt. In der vollständigen Konfiguration ermöglicht ein 14 T-Warmbore-Solenoid mit V_magnet = 0,0024 m³ einen Formfaktor von C_V = 0,074, wodurch projizierte Sensitivitäten bis hinunter zu g_aγγ ≈ 10⁻¹⁵ GeV⁻¹ bei etwa Ω(100) Tagen resonanten Betriebs erreichbar sind.

Der erste WISPLC-Prototypdurchlauf wurde im Breitbandmodus innerhalb eines 6 T-ADR-Dipolmagneten durchgeführt. Dabei kam eine 250 cm lange Pickup-Schleife aus 0,1 mm Kupferdraht zum Einsatz, die parallel zum Magnetfeld ausgerichtet war. Anstelle eines SQUIDs wird ein rauscharmer Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz (Ø(Ω MΩ)) verwendet, der Stromrauschen am Eingang unterdrückt und ausschließlich Spannung verstärkt. Die Verwendung eines LNA macht das System praktisch unempfindlich gegenüber externen Streumagnetfeldern.

Darüber hinaus verbessert sich in diesem Spannungsdetektionsschema die erreichbare Sensitivität mit steigender Frequenz, solange die Pickup-Schleife induktiv bleibt. Dies wurde im Prototyp bis etwa ∼ 10 MHz experimentell bestätigt. Ein externer Antennenkanal lief parallel als EMI/EMC-Veto, und eine Signalinjektionsschleife diente zur kontinuierlichen Überprüfung der DAQ-Antwort und Stabilität während der Messungen.

Vorläufige Ergebnisse des Physiklaufs 2024 zeigen kein Anzeichen für ein persistentes ALP-Signal im Massenbereich von 2 bis 20,7 neV, wobei Kopplungen bis hinunter zu
g_aγγ ≈ 5,4 × 10⁻¹² GeV⁻¹ ausgeschlossen werden konnten.

Derzeit läuft eine zweite Breitband-Datenkampagne mit deutlich verbesserter Abschirmung aller kritischen Subsysteme, wodurch parasitäre Beiträge, insbesondere im Hochmassenbereich, erheblich reduziert werden sollen. Zukünftige Phasen zielen zunächst auf höhere erreichbare Frequenzen durch optimierte Pickup-Geometrien, anschließend auf resonanten Betrieb durch Hinzufügen eines Kondensators zur Bildung eines Hoch-GQ-LC-Kreises und schließlich auf den Betrieb im 14 T-Warmbore-Solenoid.

Abbildungen

• Abbildung 5: Schematische Darstellung des für die finale WISPLC-Konfiguration vorgesehenen 14 T-Warmbore-Solenoidmagneten. Das axioninduzierte toroidale Magnetfeld wird von einer supraleitenden Pickup-Schleife innerhalb des raumtemperierten Bohrvolumens aufgenommen. Der Magnet stellt das statische Feld B bereit, das für die Primakoff-Konversion erforderlich ist.
• Abbildung 6: Projizierte WISPLC-Sensitivität für die Axion-Photon-Kopplung g_aγγ sowohl im Breitband- als auch im resonanten Auslesemodus. Die Breitbandkonfiguration ermöglicht eine kontinuierliche Abdeckung des Niedrigmassenbereichs, während der Resonanzmodus eine erhöhte Sensitivität innerhalb eines schmalen Massenfensters liefert, das durch die LC-Resonanz bestimmt ist.
• Abbildung 7: WISPLC-Prototyp innerhalb der Bohrung eines 6 T-Solenoids eines ADR-Systems.

Ausgewählte Präsentationen und Publikationen

• Z. Zhang et al., Search for dark matter with an LC circuit, Phys. Rev. D 106, 023003 (2022). doi:10.1103/PhysRevD.106.023003
• M. Maroudas, WISPLC: Lumped-Element Based Searches for Light Dark Matter with a Superconducting LC Circuit, 18th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs, Thessaloniki (2023).

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