Magnicon产品在任意光粒子搜索 II - 技术设计报告（Any Light Particle Search II - Technical Design Report）的应用

介绍：

         理解自然的基本成分和力量是社会支持实验和理论物理学的最有力动力之一。这一点再次得到了证明，例如，公众对可能在大型强子对撞机发现希格斯玻色子的巨大共鸣，并不断表现在对天文学和宇宙学问题的兴趣中。事实上，进展令人印象深刻。主要基于加速器的研究导致了所谓的粒子物理学标准模型的发展，该模型能够描述高达级精度的实验结果。然而，尽管这些实验非常成功地填补了几十年前预测的标准模型的空白，但天体物理学和宇宙学观测已经积累了超出这一理论框架的物理学证据。最突出的是暗能量和暗物质。到目前为止，基于加速器的能量或强度前沿实验还无法确定理解这些现象的解释。

         因此，人们似乎很自然地会问，标准模型之外的物理学是否会隐藏在另一个前沿。事实上，这样一个可能的前沿自20世纪80年代初就为人所知，当时QCD中明显的CP守恒可以追溯到一个假设的新粒子轴子。很快就证明，轴子，如果存在的话，应该非常轻，并且弱相互作用以逃避实验界限。这样的轴子被命名为“看不见的”。它为标准模型提出了一个新的“低能前沿”，暗示了加速器实验无法到达的未知领域。近年来，轴子很明显可能只是许多不同的“弱相互作用的细小粒子”（WISP）的一个例子，我们将在第2节中描述。

         寻找WISP的实验通常依赖于光子-WISP相互作用。正如下一章所示，人们可以区分与光子具有相同量子数的WISP（允许与光子的动力学混合）和需要双光子相互作用的伪标量或标量玻色子。ALPS实验的拟议第二阶段将对两种WISP甚至其他预测的WISPy粒子都很敏感。

         通常，在这样的实验中，两个光子中的一个由激光束提供，而另一个由强磁场提供。在这样的环境中，WISP和光子之间的相互作用以连贯的方式发生。例如，相互作用的概率比基于加速器的光束倾倒实验大很多数量级。WISP的虚拟或真实生产可以产生壮观的实验观察，从偏振效应到看似完美屏蔽环境中突然出现的光。ALPS-II提案通过尝试将光穿过墙壁集中在后一种想法上。

图1.墙壁实验light-shining-through的原理：通常来自强激光的光被照射到磁场中。WISP可以通过激光与磁场的相互作用或仅仅通过动力学混合来产生。屏障阻挡了光，但WISP很容易穿过它。在墙后实验的第二部分，一些WISP转换回光子，产生光穿过墙壁的印象。WISP必须移动宏观距离，因此这里只涉及壳上粒子的产生。

对在屏蔽良好的环境中产生的光的清晰观察只能用通过任何屏障的未知WISP来解释。“light-shining-througha-wall”（LSW）实验的原理如图1所示。

         1.引导它们通过加速器偶极磁铁内的长而窄的管子

         2.通过设置光学谐振器（腔）来利用谐振效应

DESY的ALPS-I实验在2010年将以前的结果提高了10倍。未来灵敏度的提高基本上依赖于三个基石：

1. 墙壁前面的光学谐振器是“储存”注入激光的最佳手段，从而放大可用的激光功率。谐振器容纳由限定谐振器的两个镜子反射的光波叠加产生的驻光波。在谐振器中，向“墙壁”移动的光波的场强远大于注入激光的场强。两种场强的平方之比在下文中称为功率累积因子。

2. 墙后有第二个谐振器，WISP转化为光子的反向转换概率可以大大提高。要理解这一点，我们必须记住光学谐振器也以与上面描绘的完全相同的方式工作在非常微弱的光下。事实上，在微波领域已经通过实验证实，即使是谐振器内光子数量的期望值远低于1的光波也会按预期放大。现在，WISP在墙后谐振器中传播的波函数可以描述为由一个大的“无菌”部分和一个微小的光子分量组成。因此，光子分量在谐振器中被放大与“普通”光相同的方式，转换成光子的概率相应增加。然而，这种方法要求墙壁前后的谐振器调谐到相同的频率和空间模式（因为激光光子和再生WISP的光子具有完全相同的特性），并且只有可忽略的相对相位抖动（因此通过墙壁的WISP光束可以像激光注入谐振器一样将光子注入第二谐振器）。

3. 通过使用一串偶极磁铁来增加磁长度。由于WISP的产生和光子的再生是以相干的方式进行的，磁长度增加20倍将导致对WISP-光子耦合强度的灵敏度同样增加。
   

         ALPS-II提案描述了如何将DESY现有的基础设施（HERA偶极磁铁、HERA隧道中的长直线部分、低温学）与激光技术方面的先进专业知识（来自引力波干涉仪的经验）和新的光学探测器（超导单光子计数器）相结合，以实现WISP搜索的灵敏度，比现有实验室实验高出三个数量级以上。

         在过去的五到十年里，人们对低能量前沿的兴趣发生了变化。这表现在越来越多的人参与PATRAS系列研讨会、最近在美国举行的研讨会以及国际作者提交的讨论欧洲粒子物理战略更新的文件。基石是欧洲核子研究中心的CAST日光镜，它寻找与现有太阳模型兼容的太阳轴子发射，对标准模型扩展的新理论见解，它经常预测低能量前沿的许多新粒子，以及最近观察到的可以用这种新粒子解释的天体物理难题。因此，新的实验活动在世界范围内开始。他们经常利用大型加速器实验室的基础设施。一个例子是DESY的ALPS（“任何光粒子搜索”）实验的第一阶段。它利用了HERA偶极磁铁和驱动磁铁内部光学谐振器的强连续激光相结合。通过结合粒子物理学家和引力波干涉仪专家的专业知识，ALPS-I在实验室搜索中达到了对新的弱相互作用低质量粒子的光子耦合的全球最佳灵敏度。ALPS-I以及CERN、FNAL、JLAB和其他地方的竞争实验可以被描述为快速“向黑暗开枪”。由于预算限制，他们的目标是使用现有设备快速返回（在ALPS-I的例子中，HERA偶极磁铁意外地仍然安装在测试台上）。这些实验都没有显示出超出标准模型的物理证据。然而，基于不同物理学分支的新合作的此类实验的可实现性已在这些原型方法中得到成功证明。第二代ALPS-II实验有望将轴子状粒子搜索的实验灵敏度提高三个数量级以上（！）。它将允许访问由上述天体物理现象和弦理论低能化身预测的新假设粒子的参数空间。它将超越CAST目前在低质量范围内提供的轴子状粒子的最强约束，同时提供完整的实验室控制在所有实验参数上。ALPS-II将使用现有的HERA偶极子安装在HERA隧道的直线部分。这将以相对较低的成本实现，而任何发现的影响都不会被高估。然而，主要在美国有竞争活动，这对ALPS-II的实现提出了时间要求。出于这些原因，一些理论家和实验家在最近提交给欧洲战略小组的文件中提议实现ALPS-II。

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