Kurzfassung
Das Axion und das Dunkle Photon sind zwei viel diskutierte Kandidaten für Dunkle Materie mit erwarteten Massen unterhalb von 1 eV. Das Axion wurde ursprünglich als Lösung für das starke CP-Problem vorhergesagt, d. h. die unerwartete Abwesenheit von Effekten, die die Ladungs-Parität (CP) in der Quantenchromodynamik (QCD) verletzen. Seine schwache Kopplung zum Standardmodell und einfacher Entstehungsmechanismus weckten großes Interesse am Axion als Kandidat für dunkle Materie, und verschiedene Experimente begannen mit der Suche nach ihm. Ein Beispiel sind Haloskop-Experimente, die darauf abzielen, Axionen aus dem lokalen Dunkle-Materie-Halo zu detektieren. Sie setzen dafür hochresonante Mikrowellenresonatoren ein, welche die Umwandlung des Axions in ein Photon in einem externen Magnetfelder verstärken. Diese Experimente sind auch empfindlich gegenüber dem dunklen Photon, das sich mit dem Photon des Standardmodells (SM) mischt, was den praktischen Vorteil hat, dass kein Magnet erforderlich ist. Ihre Empfindlichkeit nimmt jedoch bei Massen über 40 µeV
deutlich ab.
Daher wurde das MAgnetized Disk and Mirror Axion eXperiment (MADMAX)
entwickelt, welches nach Axionen im Massenbereich von 40 µeV bis 400 µeV sucht. Es nutzt das Konzept des dielektrischen Haloskops, das anstelle eines Resonators einen Booster verwendet, der aus einem Stapel dielektrischer Scheiben und einem Spiegel besteht, um die Umwandlung von Axionen in Photonen zu verstärken. Durch die Bewegung der Scheiben kann die Axionmasse, auf die der Booster anspricht, eingestellt werden. MADMAX hat mehrere Prototypen entwickelt, die in offene Booster, ohne Begrenzungen um die Scheiben und den Spiegel, und geschlossene Booster, die von einem Metallzylinder umschlossen sind, unterteilt werden. Um eine freie Bewegung der Scheiben zu ermöglichen, strebt MADMAX den Einsatz eines offenen Designs für die Anlage in Originalgröße an. Das Design des geschlossenen Boosters ermöglicht eine einfachere Modellierung.
Die Bestimmung der Empfindlichkeit eines dielektrischen Haloskops stellt eine große Herausforderung dar. Es existiert keine axionähnliche Kalibrierungsquelle, und die im Vergleich zur Photonenwellenlänge λ große Detektorgröße von O(10^4 λ^3 ) erschwert Vollwellensimulationen. Daher wird ein single-mode Boostermodell vorgestellt, das in der Lage ist, zeitaufwändige und rechenintensive Vollwellensimulationen geschlossener Boostersysteme zu ersetzen. Zudem verändert der Anschluss eines Empfängersystems an das dielektrische Haloskop dessen elektromagnetischen Eigenschaften, indem ein Teil der emittierten Signalleistung reflektiert wird. Die Veränderung wird anhand eines Modells des vom Empfänger emittierten Rauschens quantifiziert, welches fähig ist, die Leistungsspektren des dielektrischen
Haloskops zu reproduzieren. Die entwickelten Methoden ermöglichten die ersten Suchen nach Dunkler Materie der MADMAX-Kollaboration.
Eine Axion-Suche mit einem geschlossenen Booster-Prototyp, der von einem
Aluminiumzylinder umschlossen ist, setzte Limits für das Axion im Massenbereich 76,56 µeV bis 76,82 µeV und 79,31 µeV bis 79,53 µeV bis hinunter zu einer Axion-Photon-Kopplung von gaγ ≃ 2 · 10^−11 GeV^−1 . Das Empfängersystem führte zu einer Verringerung der erwarteten Axion-Signalleistung um bis zu 20 %. Das vollständige Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit des Aufbaus unter Verwendung des Booster- und Empfänger-Rauschmodells wird vorgestellt. Das Limit ist weltweit führend in diesem Massenbereich und belegt die Durchführbarkeit und wettbewerbsfähige Empfindlichkeit dielektrischer Haloskope.
Eine Suche nach dunklen Photonen unter Verwendung eines offenen Booster-Prototyps mit freistehenden Scheiben resultierte in Limits für einen Massenbereich dunkler Photonen von 78,62 µeV bis 83,95 µeV. Die Spitzenempfindlichkeit für die kinetische Vermischung des dunklen Photons mit dem SM-Photon von χ ≃ 2·10^−13 übertrifft frühere Limits um bis zu drei Größenordnungen. Die Empfindlichkeit ohne Empfängersystem wurde im Rahmen der Doktorarbeit von J. Egge bestimmt. Unter Verwendung des Empfängerrauschmodells wurde festgestellt, dass das Empfängersystem die erwartete Signalstärke des dunklen Photons um bis zu 25 % erhöht, was zeigt, dass das Rauschmodell auf eine breite Palette von Konfigurationen anwendbar ist.
Diese Suchen nach dunkler Materie bilden eine solide Grundlage für zukünftige MADMAX-Experimente. Da die erforderlichen Werkzeuge nun vorhanden sind, können sich die Bemühungen darauf konzentrieren, die Empfindlichkeit des Experiments zu verbessern und seinen Erfassungsbereich auf einen breiteren Massenbereich auszuweiten.
The axion and dark photon are two popular dark matter candidates with expected masses below 1 eV. The axion was originally predicted by a solution to the strong CP problem, that is, the unexpected absence of charge-parity (CP) violating effects in quantum chromodynamics (QCD). Its small coupling to the Standard Model and simple production mechanism sparked a strong interest in the axion as a dark matter candidate and various experiments started searching for it. An example are haloscope experiments that aim to detect axions from the local dark matter halo. They employ highly resonant microwave cavities that enhance the conversion of the axion to the photon in external magnetic fields. These experiments are also sensitive to the dark photon, which mixes with the Standard Model (SM) photon with the practical advantage of not requiring a magnet. However, their sensitivity decreses significantly at masses above 40 µeV. Therefore, the MAgnetized Disk and Mirror Axion eXperiment (MADMAX) was designed to search for axions in the mass range of 40 µeV to 400 µeV. It uses the dielectric haloscope concept that, instead of a cavity, employs a booster consisting of a stack of dielectric disks and a mirror to enhance the axion-photon conversion. By moving the disks, the axion mass to which the booster is sensitive can be tuned. MADMAX has developed several prototypes categorized as open boosters, which have open boundaries around the disks and mirror, and closed boosters, which are encased in a metal cylinder. To enable free movement of the disks, MADMAX aims at employing an open design for the full-scale setup. The closed booster design allows for easier modeling. Determining the sensitivity of a dielectric haloscope presents a major challenge. No axion-like calibration source exists and the large detector size compared to the photon wavelength λ of O(10^4 λ^3 ) renders full-wave simulations difÏcult. Therefore, a single-mode booster model is presented that is capable of replacing time-consuming and computationally expensive full-wave simulations of closed booster systems. Additionally, connecting a receiver system to the dielectric haloscope modifies its electromagnetic response by reflecting part of the emitted signal power. The change is quantified using a model of the noise emitted by the receiver, which is shown to reproduce power spectra of the dielectric haloscope. The presented methods enabled the first dark matter searches by the MADMAX collaboration. An axion search with a closed booster prototype, encased in an aluminum cylinder, placed limits on the axion in the mass range 76.56 µeV to 76.82 µeV and 79.31 µeV to 79.53 µeV down to an axion-photon coupling of gaγ ≃ 2×10^−11 GeV^−1 . The receiver system caused a decrease of the expected axion signal power by up to 20 %. The full procedure to determine the experiment's sensitivity, using the booster and receiver noise model, is presented. The limit is world-leading within its mass range, demonstrating the viability and competitive sensitivity of dielectric haloscopes. A dark photon search using an open booster prototype, with free-standing disks with open boundaries, placed limits on the dark photon mass range of 78.62 µeV to 83.95 µeV. The peak sensitivity to the kinetic mixing of the dark photon with the SM photon of χ ≃ 2 × 10−13 surpasses previous limits by up to three orders of magnitude. Its sensitivity in absence of the receiver system was determined as part of the PhD thesis by J. Egge. Using the receiver noise model, the receiver system was found to increase the expected dark photon signal power by up to 25 %, demonstrating that the noise model is applicable to a broad range of configurations. These dark matter searches provide a solid foundation for future MADMAX experiments. With the necessary tools in place, efforts can now focus on enhancing the experiment's sensitivity and extending its reach to a broader mass range.