Solar Hidden Photon Search (SHIPS)

Eine kurze Einleitung

Das SHIPS-Experiment. In Langform "Solar Hidden Photon Search". Zu Deutsch "Die Suche nach solaren versteckten Photonen".
Diese versteckten Photonen (HP für Hidden Photon) werden von der Stringtheorie, einer Erweiterung des Standardmodells, vorhergesagt und stehen in keiner Wechselwirkung mit bekannten Teilchen - daher versteckt.
Der Theorie nach unterliegen HPs jedoch einem ähnlichen Effekt wie dem der Neu­trinooszillation. Hierdurch entsteht eine sehr kleine, aber endliche Wahrscheinlichkeit einer Resonanzkopplung zwischen HPs und reellen Photonen, wodurch sich die HPs zu einem reellen Photon zurück verwandeln können. Diese Resonanzkopplung wird durch Vakuum begünstigt. Weiterhin verfolgen die zurück verwandelten reellen Photonen dieselbe Flugrichtung wie die der HPs.

Ziel des SHIPS-Projekts

- Nachweis von solaren HPs
- Bestimmung der HP Masse sowie der Kopplungsparameter (ggf. Grenzen)
- Entwicklung von HP-Astronomie

SHIPS an der Hamburger Sternwarte

Aus den Vorhersagen der Theorie folgt, dass zum Nachweisen der HPs die Beobachtung der Sonne notwendig ist. Nur die Sonne ist eine ausreichend helle HP-Quelle, sodass ein Nachweis möglich ist. Wenn es darum geht die Sonne, oder Sterne im Allgemeinen, zu beobachten, so ist dies das Spezialgebiet von Astronomen. Aufgrund dessen wird das SHIPS-Experiment in Zusammenarbeit des DESY mit der Hamburger Sternwarte durchgeführt.
Man benötigt also ein Teleskop, welches ein indirektes HP-Bild der Sonne beobachtet. Indirekt, da man nur die zurück verwandelten reellen Photonen nachweisen kann und nicht die HPs selbst. Ein Teleskop bietet sich direkt aus der Vorhersage an, dass sich das reelle Photon nach dem Verwandeln in dieselbe Richtung wie das HP fortbewegt.
Da die Resonanzkopplung durch Vakuum begünstigt wird, muss sich das Teleskop im Vakuum befinden. Weiterhin muss das Teleskop in einer lichtdichten, vollkommen dunklen Kammer operieren. Dies ist notwendig, um die nur vereinzelt aufkommenden HPs detektieren zu können.
Neben kleineren Prototypen ist ein großes Teleskop zum Nachweis von HPs in Planung. An TSHIPS3 (Telescope for Solar Hidden Photon Search), mit einem Durchmesser von ca. 1 m und einer Länge von ca. 8 m, wird derzeit gearbeitet.

Bild: CAD Simulation des geplanten TSHIPS3.

Mein Aufgabenbereich

Ich habe mich im Jahr 2010 unterstützend um einen erfolgreichen Start des SHIPS-Experiements an der Hamburger Sternwarte gekümmert. Zunächst ging es um die Entwicklung und Realisierung von Prototypen des TSHIPS.
Das Bild rechts zeigt die ersten Prototypen TSHIPS1 (rechts) und TSHIPS2 (links). THSIPS1 ist eine herkömmliche Vakuum­röhre, während TSHIPS2 zur Gewichts­ersparnis mit einer Wöbstruktur versehen wurde. In den Kammern herrscht bei Betrieb ein Vakuum von < 10e-4 mbar, um die Resonanzkopplung zu maximieren. Gleichzeitig bieten die Vakuumkammern eine lichtdichte Hülle. Die Optiken werden in der Vakuumkammer und die Detektoren an den Enden des TSHIPS montiert.
Das Bild links zeigt eine CAD Simulation des TSHIPS2 auf einer 10 Micron Teleskopmontierung vom Typ GM2000.
Die Dimensionen der Prototypen sind wie folgt:
Durchmesser (innen): ≈ 25 cm
Länge: 2 m
Gewicht (TSHIPS1): ≈ 70 kg
Gewicht (TSHIPS2): ≈ 15 kg
TSHIPS1 und TSHIPS2 sind so konzipert, dass sie zusammen montiert werden können und somit als eine Einheit von 25 cm Durchmesser und einer Länge von 4 m operieren können.
Als Detektoren werden entweder Photomultiplier, rauscharme CCDs oder eine Kombination aus beidem dienen. In der CAD Simulation links im Bild ist eine CCD rechts und ein Photomultiplier links am TSHIPS2 montiert.
Im Oktober 2010 wurde die Leitung des Projekts an der Hamburger Sternwarte durch unseren Doktoranden Dipl.-Phys. Matthias Schwarz übernommen. Ich unterstütze dieses Projekt weiterhin in allen Bereichen in denen Bedarf besteht, ob Unterstützung im Labor oder mechanische (CAD) oder optische (ZEMAX) Simulationen.

Projekt-Website

Viel mehr Informationen rund um das Projekt finden Sie auf der projekteigenen Website www.ships.uni-hamburg.de. Diese Website ist auf Englisch, enthält jedoch aktuellste Informationen über das Experiment, sowie Details zur Theorie und allen weiteren Projektinformationen.