"Einschränken von schwach wechselwirkenden, leichten Teilchen mit einem schweren Stern und im Labor"

"Constraining Weakly Interacting Slim Particles with a Massive Star and in the Laboratory"

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird der erlaubte Parameterraum für schwach wechselwirkende, leichte Teilchen WISP) eingeschränkt. WISP werden von vielen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) vorhergesagt: Die Lösung des starken CP-Problems durch Peccei und Quinn verlangt die Existenz eines Axions; Einbettungen des SM in Stringtheorien sagen eine Reihe von Axion-artigen Teilchen (ALPs), das sogenannte Axiversum, und versteckter Photonen (HPs) vorher. Kosmologische und astrophysikalische Observablen sind sensitiv auf die Existenz von WISPs. Messungen dieser Observablen ermöglichen es den erlaubten WISP-Parameterraum einzugrenzen. Zusätzlich gibt es Laborexperimente. Der von Laborexperimenten ausgeschlossene Parameterraum ist meistens kleiner als die Bereiche, die durch Messungen von kosmologischen und astrophysikalischen Observablen ausgeschlossen werden können. Die Ergebnisse von Laborexperimenten sind aber dennoch sehr wertvolle Ergänzungen zu diesen Messungen, da sie weniger modellabhängig sind.

Ich stelle in dieser Arbeit meine Ergebnisse vor, die auf zwei Weisen helfen, den WISP-Parameterraum einzugrenzen: Erstens bedingt die Existenz von ALPs, dass diese in Kernen von Sternen produziert werden. Im galaktischen Magnetfeld (GMF) oszillieren diese ALPs mit Photon, so dass Sterne, die ohne ALPs keine Röntgenstrahlung emittieren wie z.B. rote Superriesen, im Röntgenbereich sichtbar sein sollten. Aus Beobachtungen des nahen roten Superriesen α-Ori (Beteigeuze) mit dem Chandra Röntgenteleskop werden obere Grenzen auf die Zählraten von Röntgenphotonen von α-Ori mit den Chandra Beobachtungsinstrumenten abgeleitet. Der innere Aufbau von α-Ori wird mit Hilfe des "Evolve ZAMS" Programms simuliert. Basierend auf dieser Simulation wird die Rate der produzierten ALPs berechnet. Unter Verwendung von Abschätzungen der Feldstärke des GMF wird die Flussdichte von Röntgenphotonen auf Grund von ALP-Photon Oszillationen berechnet und die daraus resultierende Zählrate mit den Chandra Beobachtungsinstrumenten abgeschätzt. Der Vergleich dieser Abschätzung mit der oberen Grenze auf die Zählrate erlaubt es Werte für die ALP-Photon Kopplung oberhalb von 2.1×10^-11 GeV^-1 auszuschließen.

Zweitens wird zur Vorbereitung des "Any Light Particle Search II" Experiments (ALPS-II) eine CCD Kamera (PI 1024B) charakterisiert. ALPS-II is ein "Licht durch die Wand" Experiment, das gegenwärtig am DESY in Hamburg vorbereitet wird. Die Charakterisierung umfasst die Messung des fixed pattern noise (FPN), des Ausleserauschens und der Dunkelzählrate. Dabei stellt sich heraus, dass FPN und Ausleserauschen auf Grund von clock-induced charges auf der Chipfläche der CCD unterschiedlich sind. Die Dunkelzählrate ist ebenfalls über die Chipfläche unterschiedlich, was durch eine ungleichmäßige thermische Last auf den CCD Chip verursacht wird. Zusätzlich wird die Quanteneffizienz bei 1064 nm, der in ALPS-II verwendeten Wellenlänge, bestimmt (1.2 %).

Anhand dieser Ergebnisse wird ein Algorithmus für die Analyse der CCD Daten entwickelt. Die Sensitivität von ALPS-II mit der CCD als Detektor wird mit der Sensitivität mit einem Übergangskantensensor (TES) verglichen. Die Sensitivität mit der CCD ist eine Größenordnung schlechter als die Sensitivität mit TES. Diese Verschlechterung ist zu gleichen Teilen durch die geringere Quanteneffizienz und höhere Dunkelzählrate der CCD im Vergleich mit dem TES verursacht.

Titel

Kurzfassung

Summary

This doctoral thesis is devoted to constraining the allowed parameter space of weakly interacting slim particles (WISPs). WISPs are predicted by many extensions of the Standard Model of Particle Physics (SM): The Peccei-Quinn solution of the strong CP-problem of quantum chromo dynamics requires the existence of an axion; some embeddings of the SM into string theories predict a large number of axion-like particles (ALPs), the so called axi-verse, and hidden photons (HPs). Cosmological and astrophysical observables are sensitive to the existence of WISPs. Measurements of these observables allow to constrain the allowed WISP parameter space. In addition dedicated laboratory based experiments exist. Although the parameter space excluded by these experiments is generally smaller than the regions excluded by measurements of cosmological or astrophysical observables, the results from these experiment are valuable complements to these measurements because they are less model dependent.

In this thesis, I present my work that helps to constrain the WISP parameter space in two ways: First, the existence of ALPs implies their production in stellar cores. The oscillation of ALPs with photons in the galactic magnetic field (GMF) suggest an X-ray flux from red supergiant (RSG) stars. RSGs are expected to emit no X-rays if ALPs do not exist. An upper limit for the X-ray count rate from the nearby RSG α-Ori (Betelgeuse) is estimated from observations of α-Ori with the Chandra X-ray Telescope. The interior of α-Ori is modelled with the "Evolve ZAMS" code. Based on this, the corresponding ALP production rate is calculated. Using current estimates of the value of the regular component of the GMF, the resulting X-ray flux density at Earth from ALP-photon oscillations and the corresponding count rates with the Chandra instruments are calculated. Comparison of this estimate with the upper limit from the Chandra measurements allows to exclude values of the ALP-photon coupling above 2.1×10^-11 GeV^-1 for masses below 2.6×10^-11 eV.

Second, a CCD (PI 1024B) camera is characterized in preparation of the "Any Light Particle Search II" experiment (ALPS-II), which is a "light shining through a wall" experiment searching for WISPs that is currently under preparation at DESY in Hamburg. This characterization includes the measurement of the fixed pattern noise (FPN), the read-out noise and dark count rate. It is found that clock-induced charges cause a spatial variation of the FPN and the read-out noise over the CCD chip area. The dark count rate is found to spatially vary, too, which is caused by a non-uniform thermal load on the CCD chip. In addition the quantum efficiency at 1064 nm, the wavelength used in ALPS-II, is measured to be 1.2 %.

Based on these results, an analysis algorithm for the CCD data is developed and the sensitivity of ALPS-II if using the CCD is compared to the sensitivity if the experiment uses a transition edge sensor (TES) as detector as planned. I find that the sensitivity with CCD on the ALP-photon coupling is one order of magnitude worse than the sensitivity with TES. This deterioration of the sensitivity is caused in equal parts by the lower quantum efficiency and higher dark count rate of the CCD compared to the TES.