Kurzfassung
Die nicht erklärte Natur dunkler Materie und dunkler Energie ist ein Hauptgrund für die Suche nach physikalischen Effekten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik (SM). Einige Erweiterungen des SM postulieren schwach wechselwirkende, leichte Teilchen (WISPs). Licht durch die Wand (LSW) Experimente nutzen die sehr schwache Kopplung zwischen WISPs und Photonen (und
umgekehrt) um nach WISPs zu suchen. LSW Experimenten, nutzen leistungsstarke Laser welche einen genau definierten Strahl von Photonen als Quelle für die WISP-Photon Konversion benutzen.
Das ALPS-I Experiment am DESY in Hamburg war das erste erfolgreiche Experiment, das die Kombination aus einem optischen Resonator hoher Finesse, um die Laserleistung zu erhöhen und einem starken Magnetfeld nutzte, um die Konversionswahrscheinlichkeit
von Photonen zu WISPs zu erhöhen. ALPS-II benutzt einen zweiten Resonator, um auch die Wahrscheinlichkeit der Rückkonversions zu
erhöhen. Beide Resonatoren sind durch eine Wand getrennt, verstärken Licht mit 1064nm Wellenlänge und besitzen eine gemeinsame optische Achse. Der Einsatz dieser beiden Resonatoren innerhalb 20 gerade gebogener HERA Magneten und der Einsatz eines supraleitenden Übergangs-Mikrokalorimeters (TES) als Einzel-Photon-Detektor machen ALPS-II drei Größenordnungen sensitiver als
dessen Vorgänger.
Da die aus WISPs rückkonvertierten Photonen, welche im Regenartionsresonator (RC) entstanden sind, eine Wellenlänge von 1064nm haben, ist es wichtig, das der RC mit einer anderen Wellenlänge auf den Produktionsresonator (PC) stabilisiert wird. Deshalb wird das frequenzverdoppelte Licht aus dem PC zur
Stabilisierung des RCs verwendet. Dieses 532nm Licht soll daran gehindert werden den TES zu erreichen um ein Untergrundrauschen zu verhindern. Um dies zu erreichen wird ein Abschwächungsaufbau für Wellenlängen, die nicht 1064nm betragen, benötigt.
Im Rahmen meiner Arbeit wurde die notwendige Abschwächung berechnet. Ein optischer Aufbau wurde vorgeschlagen und konstruiert und getestet. Dieser Aufbau kann den grünen Strahl um einen Faktor 10^−18 abschwächen während 85% der infraroten Photonen transmittiert werden. Weiterhin wurde der ALPS-IIa PC
ebenfalls in Rahmen dieser Arbeit realisiert. Dieser Resonator hat eine finesse von F =~ 1600 was aufgrund zusätzliche unbekannte Verluste um den Faktor fünf niedriger ist als der Designwert. Nicht desto trotz konnte der Resonator länger als zwei Stunden stabil betrieben werden. Der stabilisierte Resonator konnte wichtige Daten bezüglich der Rahmenbedingungen in den neuen Laboren, besonders im Hinblick auf Vibrationsrauschen, sammeln.
Diese Errungenschaften sind zwei Eckpfeiler der ALPS-IIa Phase. Die erfolgreiche Kombination dieser Schritte wird das Konzept von ALPS-II bestätigen. Ein erfolgreiches ALPS-II Experiment ermöglicht neue Einblicke über die Zusammenstellung
des Universums und ist fähig Teilchen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu entdecken.
The unexplained nature of dark matter and dark energy is a prominent reason for investigating physics beyond the standard model of particle physics (SM). Some extensions of the SM propose weakly interacting slim particles (WISPs). In an attempt to prove the existence of these particles, Light shining through the wall (LSW) experiments explore a very weak coupling between WISPs and photons (and vice versa). LSW experiments employ high-power lasers that provide a well defined flux of photons for the WISP-Photon conversion. The ALPS-I experiment at DESY in Hamburg was the first successful experiment with a high finesse optical resonator to enhance the laser power in a strong magnetic field in order to increase the photon to WISP conversion probability. The ALPS-II experimental concept adds a second optical cavity to also increase the reconversion probability. Both cavities are separated by a wall, amplify light at 1064nm and share a common optical axis. Operating these two cavities inside 20 straightened HERA superconducting dipole magnets and using a transition edge sensor (TES) as a single photon detector will make the ALPS-II experiment almost three orders of magnitude more sensitive than its predecessor. Since photons, originating from reconverted WISPs in the regeneration cavity (RC) have 1064nm wavelengths, the RC has to be locked to the production cavity (PC) with light of a different wavelength. Therefore frequency doubled PCs light will be used to lock the RC. This 532nm light shall not arrive at the TES to prevent background noise. To achieve this, an optical attenuation system for wavelengths different from 1064nm is required. In my thesis, the required attenuation was estimated and an optical setup was proposed and constructed and tested. It attenuates green photons by a factor of of 10^−18 and transmits 85% of the infrared photons. Furthermore the high finesse production cavity of ALPS-IIa was set up and characterized during this thesis. The PC reached a finesse of F =~ 1600, which is approximately a factor of five lower than the design value due to additional unknown losses. Nevertheless it was robustly locked for more than two hours. The stabilized cavity was used to gain important knowledge about the limiting factors and the environmental conditions in the new laboratories regarding vibrational noises. These achievements are two cornerstones of the ALPS-IIa phase. Once all stages are combined it will proof that the general concept of ALPS-II works properly. A successful ALPS-II experiment yields new insights into the composition of the universe and is able to discover particles beyond the standard model of particle physics.