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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-92092
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9209/


Search for light dark matter using the resonant cavity in the frequency under 500 MHz

Die Suche nach leichter Dunkler Materie mit einem Resonator in Frequenzen unter 500 MHzLe

Nguyen, Le Hoang

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SWD-Schlagwörter: Resonanz , Axion , Rundfunkempfänger , Dunkle Materie , Detektor
Freie Schlagwörter (Deutsch): Resonanz , Axion , Rundfunkempfänger , Dunkle Materie , Detektor
Freie Schlagwörter (Englisch): Resonance , Axion , Radio , Dark Matter , Detector
Basisklassifikation: 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Horns, Dieter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.04.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 11.07.2018
Kurzfassung auf Englisch: In the recent years, the light dark matter particles or Weakly Interacting Slim Particles (WISPs) have received attention from the community as an alternative particle candidate for dark matter. Among this theoretical particle class are axions, axion-like-particles (ALPs), and hidden photons. The hidden photon is a well-motivated candidate for dark matter and retains a vast parameter space. With the goal to search for hidden photons, a new detection method was developed using the broadband radio-frequency acquisition to cover a large parameter space.

This thesis presents an experiment using the haloscope resonant cavity technique for the search for hidden photons in the unexplored mass range below 2.08 $mu$eV named WISPDMX, the acronym for textbf{W}eakly textbf{I}nteracting textbf{S}lim textbf{P}artcle textbf{D}ark textbf{M}atter textbf{Ex}periment. The experiment is located at the Institut f{"u}r Experimentalphysik of Hamburg Universit{"a}t, Hamburg. The experiment consists of a refurbished accelerator resonant cavity, two modified tuning plungers, and a unique real-time acquisition system. At the moment, the readout system of WISPDMX can return the broadband spectrum up to 500 MHz with a very high resolution (50 Hz). In the first science run, WISPDMX is able to detect a signal at the power level of $10^{-20}$ $text{Watt}/sqrt{mathrm{Hz}}$.

WISPDMX is the very first haloscope type experiments searching for hidden photon and possible light dark matter candidates. Thus the theoretical foundation for such kind of experiment has to be studied such as the power developed inside the hidden photon haloscope resonator. Extended studies of the expected linewidth of the hidden photons conversions and of the broadband gain are carried out.

With the fully functional experiment, the first science run of WISPDMX has been executed from 23rd October 2017 to 2nd November 2017, with the total acquisition time is 61.1 hours. An algorithm for the signal scan was developed for different ranges and applied to the instantaneous and time-averaged spectra.

Finally, the result from the first science run of WISPDMX is presented and demonstrates that WISPDMX is currently the most sensitive experiment in the allowed parameter ranges of the hidden photon.
Kurzfassung auf Deutsch: Schwach wechselwirkende leichte Teilchen (Engl. Weakly Interacting Slim Particles (WISPs) sind als alternative Kandidaten für dunkle Materie in den vergangenen Jahren näher in den Blickpunkt gerückt. Zu diesen Teilchen zählen Axionen, unter diesen Teilchen sind Axionen, Axion-ähnliche Teilchen (Axion-like particles, ALPs) und versteckte Photonen (Hidden Photons, HP). Das versteckte Photon ist ein gut motivierter Kandidat für dunkle Materie und deckt einen breiten Parameterraum ab. Mit dem Ziel nach versteckten Photonen zu suchen, wurde eine neue, breitbandige Detektionsmethode entwickelt.

Diese Arbeit befasst sich mit einem Experiment, das die Haloskop-Resonanztechnik verwendet, um nach versteckten Photonen im bisher nicht untersuchten Massenbereich unterhalb 2.08 $mu$eV zu suchen: WISPDMX (Weakly Interacting Slim Particle Dark Matter Experiment). Das Experiment befindet sich am Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg. Es besteht aus einem wiederverwendeten Hohlraumresonator, der mit zwei mechanischen Vorrichtungen zur Frequenzeinstellung und einem einzigartigen Echtzeit-Datennahmesystem betrieben wird. Zum heutigen Zeitpunkt kann das Auslesesystem von WISPDMX ein Breitbandspektrum bis zu einer Frequenz von 500 MHz mit einer guten Auflösung von 50 Hz aufnehmen. Mit der ersten Datennahmeperiode (1st science run) ist dieses System ist in der Lage, ein Signal mit einem Leistungslevel von $10^{-20}$ $text{Watt}/sqrt{mathrm{Hz}}$ zu detektieren.

WISPDMX ist eines der ersten Haloskop-Experimente für die Suche nach versteckten Photonen. Daher müssen die technisch-experimentellen Grundlagen, wie die im Haloskop-Resonator entwickelte Leistung bei Konversion eines versteckten Photons, untersucht werden. Umfangreiche Studien der erwarteten Linienbreite konvertierter versteckter Photonen und der Breitbandverstärkung wurden ausgeführt.

Mit einem voll einsatzbereiten Experiment wurde die erste wissenschaftliche Datennahme mit einer Gesamtdauer von 61.1 Stunden zwischen dem 23ten Oktober und dem 2ten November durchgeführt. Ein Algorithmus für eine Signalsuche (signal-scan) wurde für unterschiedliche Frequenzbereiche entwickelt und auf die instantanen (Einzelspektren) und zeit-gemittelten Spektren angewendet.

Schließlich wird die Auswertung der ersten Datennahme von WISPDMX vorgestellt. Die Ergebnisse demonstrieren, dass WISPDMX derzeit das empfindlichste Experiment zum Nachweis versteckter Photonen im erlaubten Parameterraum ist.

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